リチウムの環境への影響

アンディ・パトリツィオ | 2023 年 5 月 23 日

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リチウムイオン電池は、1980 年代にイギリスと日本の大学研究者によって最初に提案されましたが、1991 年にソニー株式会社が導入するまで市販されませんでした。これまでも充電式電池の試みはありましたが、それらは各発明者の専有物でした。 リチウムイオンは、以前の充電式バッテリー技術と比較して、より高いエネルギー密度、より長いライフサイクル、より軽量な標準設計となりました。

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ソニーがリチウムイオン電池を導入してから 32 年間、技術革命が起こりました。 リチウムイオン電池はスマートフォンから自動車に至るまであらゆるものを可能にし、その技術は高密度化、より高速な充電、より長い寿命を実現するために進歩し続けています。

企業では、リチウムイオン電池革命の恩恵を受けた主な分野が 2 つあります。ラップトップ、タブレット、スマートフォンなどのモバイル デバイスにより、オフィスに縛られなくなった現代のモバイル労働力が生まれました。 もう 1 つの革命はデータセンターにあります。

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データ センターでは、バッテリにより無停電電源装置 (UPS) の構築が可能になりました。UPS システムは、配電網の故障時にバックアップ電力を供給します。 これらは通常、停電時に動作を継続することを目的としたものではなく、作業内容を保存し、コンピューターを単に点滅させるのではなく適切にシャットダウンできるようにすることだけを目的としています。

ただし、あらゆるテクノロジーと同様に、落とし穴があります。 リチウムイオン電池の場合、リチウムの採掘と使用済みのリチウム電池の廃棄の両方が環境に影響を与えます。 リチウムイオン電池は、一定期間充電できなくなるまでに何度も空にして再充電する必要があります。 その時点で、それらを交換する必要があります。

リチウムイオン電池の生産、特に鉱山が環境に与える影響について、民間業界と政府機関の両方で、特に大量に採掘されているリチウム鉱床が豊富な国々で、かなりの懸念が高まっています。

「わずか1トンの炭酸リチウムを生産するには、リチウムの大部分が生産されるアルゼンチン、ボリビア、チリの塩原の地下から集められた50万ガロンのリチウム塩水を蒸発させる必要がある」と地政学アナリスト兼社長のイリーナ・ツケルマン氏は指摘する。リスク評価会社スカラベ・ライジング社の。

彼女はまた、バッテリー自体にはコバルト、ニッケル、マンガンなどの金属が含まれており、これらは有毒であり、鉱山周辺の水供給や生態系を汚染する可能性があると指摘しています。 さらに、埋め立て地や電池リサイクル施設での火災は、リチウムイオン電池の不適切な廃棄が原因であると考えられています。

リチウムイオン電池には多くの利点があるため、人気が高まっています。 「従来のバッテリーと比較して寿命が長いため、交換の頻度が減り、廃棄物の削減に間接的に貢献します。さらに、風力や太陽光発電によって生成された余剰エネルギーを貯蔵し、安定した供給を確保するため、再生可能エネルギーへの移行に役立ちます」エネルギー生産が少ない時期に」と、地質学者であり、認定安全専門家であり、環境コンサルタントでもあるキンバリー・キム氏は言う。

利点は次のとおりです。

高エネルギー密度:リチウムイオン電池は、他の充電式電池技術と比べてエネルギー密度が高くなります。 これは、サイズと重量が問題となる小型デバイスで特に有利です。 リチウムイオン電池は軽量であることで知られています。

長いサイクル寿命:リチウムイオン電池は通常、競合他社よりもサイクル寿命が長いです。 一部のラップトップは現在、24 時間のバッテリー寿命を謳っています。

低い自己放電率とより速い再充電:リチウムイオン電池は他の形式の充電式電池よりも自己放電率が低いため、他の電池技術よりも電力の放電が遅くなります。 そのため、充電の持続時間が長くなります。 また、他のバッテリー技術よりも高速に再充電されます。

メモリー効果なし:一部のバッテリーには、バッテリーが完全に空になる前に繰り返し再充電されると寿命が短くなる、いわゆるメモリー効果が発生します。 リチウムイオン電池はこの影響を受けません。

形状の多様性:リチウムイオン電池は、他の電池のような正方形や長方形だけでなく、さまざまな形状やサイズで設計できます。 これにより、幅広いデバイスで使用できるようになります。

環境への影響の低減 : 他の充電式電池技術と比較して、リチウムイオン電池は環境への影響が低いです。 鉛やカドミウムなどの有毒な重金属は含まれていませんが、いくつかの有毒化学物質は含まれており、同等のものよりもリサイクルが簡単です。

リチウムは、水素とヘリウムに次いで地球上で 3 番目に一般的な元素ですが、採掘は容易ではありません。 これは、石油掘削で使用される水圧破砕と同様の方法で、埋蔵量に水を汲み上げるという面倒なプロセスです。 かなりの量の淡水が必要であり、塩水は使用できません。また、鉱山の多くは干ばつに苦しんでいる地域にあります。 有害な廃棄物のシチューが残り、自然に浄化されるまでには何世紀もかかります。

採掘プロセスでは、水をシェールにポンプで注入し、スラリーを抽出します。スラリーは蒸発するために露出したままにしておく必要があります。 リチウムを完全に抽出するには、プロセスに 10 ～ 24 か月かかります。

一般に、リチウムイオン電池の寿命は、充電サイクルの回数にもよりますが、3～10年です。 2020 年までに毎年 2 億トンから 5 億トンの使用済みバッテリー廃棄物が発生すると推定されています。使用済みバッテリー廃棄物にはコバルトなどの有毒金属が含まれているため、埋め立て地に捨てるという選択肢はありません。 さらに、これらのバッテリーには貴重な金属が含まれているため、リサイクルする経済的なインセンティブもあります。

英国の携帯電話修理ブランド、ビッグ・フォン・ストアのマネージング・ディレクター、スティーブン・アスワル氏は、バッテリーのリサイクルの本当の問題は、いかに安価にリサイクルできるかであると語った。 「現在、リサイクルされたリチウムを購入することは、地面から直接採掘するよりもはるかに高価です。それを変える必要があります。」と彼は言いました。 「現在のバッテリーのリサイクルを拡大することで、そのコストは下がるでしょう。それを今よりもずっと早く実現する必要があります。」

「リチウムの抽出に伴う環境への懸念、エネルギーを大量に消費する生産プロセス、リサイクルの課題を考慮すると、真の持続可能性を確保するには、現在の慣行の改善とバッテリー技術の革新が明らかに必要です」とキム氏は述べた。

バッテリーのリサイクル:最も明白で簡単な選択です。 リチウムイオン電池は決して埋め立て地に捨ててはなりません。 リサイクル会社は、環境コンプライアンスについて厳しく監査されており、一部の国でよく見られる児童労働を行っていない、評判の高いリサイクル会社に依頼する必要があります。

調達の改善:現在の採掘方法は時代遅れで、危険で、汚染があり、時間がかかります。 地中からリチウムを除去する際に環境への影響を少なくするための革新と改善の機は熟しています。

改良されたバッテリー設計:これは言うまでもありませんが、バッテリー寿命の研究開発は発明以来ずっと続けられています。 しかし、より長い寿命、より高いエネルギー密度、より高速な充電機能を備えたバッテリーを開発するには、継続的な投資が必要です。

材料の代替:現時点ではリチウムイオン電池が最良の選択肢ですが、代替品が常に市場に登場する可能性があります。 代替設計の 1 つはリチウムの代わりにナトリウムを使用しますが、これは非常に初期段階にあります (下記を参照)。 より環境に優しい代替手段を検討する必要があります。

一般の人々の意識と教育:企業は消費者よりも、消耗したリチウムイオン電池のリサイクルについて環境意識が高い傾向があります。 消耗したバッテリーをただゴミ箱に捨てるのではなくリサイクルすることの重要性について、消費者の意識をもっと高める必要があります。

利用可能かつ市場には代替バッテリー技術が多数あり、中にはリチウムイオン技術よりも優れているものもあります。 しかし、リチウムイオンに匹敵する機能と強みをすべて備えているものはありません。

鉛酸:鉛蓄電池は、主に UPS やバックアップ電源システムで使用される最も古く、最も成熟した充電式電池技術の 1 つです。 低コストですが、リチウムイオン電池に比べてエネルギー密度が低く、寿命が短いです。

ニッケルカドミウム (NiCd):これらは主にポータブル電子機器や電動工具に使用されます。 鉛蓄電池に比べて優れた性能と寿命を持っていますが、有毒なカドミウムが含まれており、リチウムイオン電池に比べてエネルギー密度が低くなります。

ニッケル水素 (NiMH):デジタル カメラ、ハイブリッド車、ポータブル電子機器などの用途で人気のある NiMH バッテリーは、リチウムイオン バッテリーよりもエネルギー密度が低く、寿命が短いです。

ナトリウムイオン:ナトリウムイオン電池は、リチウムよりも豊富で安価であるため、リチウムイオン電池の代替品です。 ただし、ナトリウムイオン電池はまだ開発中の新興技術です。

多くの州が今後数年間で化石燃料で動く自動車を廃止するという野心的な目標を設定しているため、バッテリー電源はこれまで以上に重要になるでしょう。 これは生産量が大幅に増加したことを意味しており、一部の情報源は信頼できない可能性があります。 チリとメキシコはいずれも膨大なリチウム埋蔵量を国有化しているため、政治的な気まぐれによって供給が遮断される可能性がある。

おそらく最大の課題は、リチウムの採掘条件に対処することだろう。 子どもたちが頻繁に労働する恐ろしい状況が繰り返し暴露されてきたが、それは無関心に扱われている。 電気自動車を求める国民は、そのバッテリーが安全かつクリーンに製造されることも求めているはずだ。

リチウムイオン電池は、コバルト酸化リチウム、ニッケルマンガンコバルト酸化リチウム、またはリン酸鉄リチウムを含む正極と、正極とで構成されています。 グラファイト製のアノードと、 リチウム塩を含む電解質。 微多孔性のポリエチレンまたはポリプロピレンで作られた分離膜。 集電体は銅箔とアルミニウム箔でできています。 結合剤および添加剤はポリフッ化ビニリデンからなる。

バッテリーのリサイクルは、分別と分解、バッテリーの粉砕または細断、溶液への浸漬による活物質の溶解と抽出、個々の元素の回収と精製、不純物の除去、および再製造という多くの段階のプロセスです。

すでに議論した鉱山の危険を除けば、数多くのリスクがあり、それらはすべてリチウムイオン電池の製造に使用される化学物質の毒性に関連しています。 製造プロセスでは、有毒で可燃性のいくつかの危険な化学物質や材料が使用されます。 バッテリーには可燃性の電解質と反応性の高い物質が含まれているため、爆発しやすくなっています。 また、電気を蓄えているため、放電や事故が起こりやすくなります。

リチウムイオン電池の製造には多くの変数が含まれるため、正確な二酸化炭素排出量を測定することは非常に困難であり、その中でも特に電池のサイズが挙げられます。 しかし、採掘技術、特定のバッテリーの化学的性質、生産プロセス、使用されるエネルギー源、バッテリーのライフサイクルに関する問題もあります。

古いバッテリーをただ捨てて埋め立て地に放置すると、特にバッテリーに亀裂が入っていたり、化学物質が漏れ出て損傷している場合には汚染の可能性があります。 埋め立て地に送られたバッテリーは土壌、水、大気を汚染する可能性があり、生態系にリスクをもたらし、食物連鎖に入る可能性があります。

リチウムイオン電池は過去に爆発しやすい傾向にあったため、火災や爆発の危険性もあります。 損傷したバッテリーやショートしたバッテリーは熱を放出して発火し、火災を引き起こす可能性があります。

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