米国のマサチューセッツ工科大学（MIT）の研究チームはこのほど、硬岩からリチウムを抽出する際のエネルギー消費量とコストを大幅に削減できると期待される新たなプロセスを発表した。電気自動車のバッテリーの経済台帳が変わる可能性があると考えられている。サイエンス誌に掲載された関連研究は、リチウム含有硬岩鉱石を処理する際のエネルギー消費と廃棄物の排出を削減する方法に焦点を当てています。
現在、リチウムイオン電池が電池市場を独占している主な理由は、そのサプライチェーンが大規模でシステムが成熟しており、高効率の世界的なリチウム供給ネットワークを形成しているため、代替技術によるコスト競争が困難であるためである。しかし、この利点は安価なリチウム資源の安定供給に大きく依存しており、現在の低コストリチウム資源は主に南米に集中する塩湖塩水鉱床から得られています。リチウムは地殻中の存在量としては希少ではありませんが、採掘が容易で低コストな高品質の鉱石源は豊富ではありません。
このような背景から、世界で最も豊富な硬岩リチウム資源であるスポジュメンと呼ばれるリチウム含有鉱物に注目が集まり続けています。しかし、従来のスポジュメン処理技術は高価です。リチウムを抽出するには、鉱石を摂氏約 1,000 度まで加熱し、硫酸で浸出する必要があります。このプロセスは成熟していて信頼性がありますが、膨大なエネルギー消費を伴い、大量の硫黄含有廃棄物が生成されます。
MIT とその協力者によって提案された新しいアプローチは、まったく異なる道をたどります。このプロセスでは、高温で焙煎する代わりに、摂氏約70度に加熱したフッ化アンモニウム溶液を使用してミネラル構造を破壊します。このプロセスでは、鉱石はリチウム、シリコン、アルミニウムの 3 つの材料ストリームに分離されます。リチウムはフッ化リチウムの形で溶液に溶解し、シリコンは可溶性化合物を形成し、アルミニウムは処理を容易にする固体の中間生成物に変換されます。
後続のステップでは、アルミニウムの処理がプロセス内で最もエネルギーを消費するリンクであり、最終的に純度 98% 以上のアルミナを生成するには、最初は摂氏約 300 度、次に摂氏約 700 度まで段階的に加熱する必要があります。それに比べて、シリコンの処理は比較的簡単です。アンモニアを添加すると、溶液中のシリコン化合物がシリカ沈殿物に変換され、分離が容易になります。研究チームは、これらのシリカはコンクリート添加剤として使用でき、処理コストの一部を相殺できる可能性があると指摘した。
リチウムは常にフッ化リチウムとして溶液中に残ります。この形態では、電解質材料の六フッ化リン酸リチウムの前駆体として直接使用することも、さらに硝酸リチウムに変換してから酸化リチウムに調製して、従来の電池材料の製造プロセスに入れることもできます。これにより、新しいプロセスを既存のリチウム電池産業チェーンに接続するための複数の経路オプションが提供されます。
新しいプロセスの主な特徴は、独自の反応システムの「閉ループ」管理です。多段階の反応プロセス中に、アンモニアやフッ化水素などの物質が生成されます。研究チームは、これらを廃棄物として扱うのではなく、この2つをフッ化アンモニウムに再合成して再びフロントエンド処理に参加するリサイクルリンクを設計した。この閉ループ設計は、試薬の損失と廃棄物の排出を減らすのに役立ちますが、同時に、腐食性と毒性の高いフッ化水素の厳格な安全管理が必要になることを意味します。
経済的な観点から見ると、研究チームの計算によると、従来のスポジュメン処理のコストはリチウム1トン当たり9,000米ドル弱であるのに対し、新しいプロセスではコストが1トン当たり5,000米ドル以上に削減されると予想されており、これは高品質の塩水資源からのリチウム抽出のコスト水準にほぼ近い。アルミニウムとシリコンの副産物がうまく市場に投入され、収益化できれば、全体のコストをさらに削減する余地があります。
しかし、研究者らはまた、実験室での測定値と実際の工場稼働との間には依然として複数の不確実性があることも強調した。実際のコストは、鉱石のグレード、市場価格の変動、新しいプロセスのための生産施設の建設または変更に必要な設備投資などの要因によって異なります。それにもかかわらず、この研究は依然としてリチウム供給問題に関する新しいアイデアとみなされています。リチウム資源の地理的資源に焦点を当てるだけでなく、抽出プロセス自体から始まるエネルギー利用と資源回収モデルの最適化も試みます。