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化学プロセスが廃棄物ゼロで重要なバッテリー金属を生産

303日前原文(spectrum.ieee.org)

概要

  • Olivine を原料とした新しいバッテリー材料抽出技術の紹介
  • Aspiring Materials による特許化された持続可能プロセス
  • NMC水酸化物 など希少なバッテリー材料の供給可能性
  • 産業的・経済的なメリットと課題の整理
  • 今後のグローバルなバッテリー材料サプライチェーンへの影響

オリビンからの持続可能なバッテリー材料抽出技術

  • Olivine は地味な見た目と低い経済価値が特徴の鉱石
  • 主成分は マグネシウム鉄ケイ酸塩、他の元素も微量に含有
  • 従来は宝石、金属加工、セラミックス、道路用砕石程度の用途に限定
  • 一部の採掘現場では 廃棄物 として扱われるケースも存在
  • ニュージーランドの Aspiring Materials が特許技術を開発
    • Olivineから複数の有用鉱物を抽出
    • 有害廃棄物ゼロ のプロセス実現

Aspiring Materialsの抽出プロセス

  • パイロットプラント はクライストチャーチ近郊の工業地帯に立地
  • 主な原料は オリビンフラワー （製砂副産物の微粉末）
  • 原料を 硫酸 と反応させ、「元素スープ」状態に変換
  • 反応容器で 苛性ソーダ や温度・粒径管理を行い、三つの製品を個別抽出
    • シリカ （約50％）：ポルトランドセメントの部分代替材
    • マグネシウム製品 （約40％）：炭素隔離、排水処理、合金製造用途
    • 混合金属製品 （約10％）：鉄と微量の ニッケル・マンガン・コバルト水酸化物（NMC）
  • 最終的に残るのは 塩水 のみ
    • 電解装置で酸とアルカリを再生し クローズドループ を実現
    • 低温・常圧で全鉱石を無駄なく利用

NMC材料とバッテリー産業への応用

  • NMC材料 は高エネルギー密度リチウムイオン電池の正極材として主流
  • 電動工具、大規模蓄電、電気自動車などで広く使用
  • AspiringのNMC製品は現行のバッテリー規格に適合
  • 世界的に ニッケル・マンガン・コバルト の供給は偏在
    • ニッケルはインドネシア、マンガンは南アフリカ、コバルトはコンゴ民主共和国が主要生産地
    • それぞれ中国で精製されることが多く、 供給独占・地政学的不安・人権問題・環境破壊 が課題
  • NMC水酸化物はAspiring製品の約1％だが、将来的なサプライチェーンの多様化に寄与

グローバルな鉱物供給戦略と今後の展望

  • 各国は サプライチェーンの多様化・安定化 を模索
    • 小規模生産者との連携強化
    • サーキュラーエコノミー （再利用・リサイクル）推進
  • カナダの Atlas Materials も同様のクローズドループ技術を開発
    • 原料は Serpentine を使用
  • オリビンの酸処理はエネルギー消費が高く経済性に課題
  • 欧州 では環境負荷データの開示が重視され、環境配慮型材料の輸出競争力が向上
  • Aspiringは 無廃棄・全成分活用 という持続可能性で市場優位性獲得の可能性

Hackerたちの意見

機械（現実世界）の技術の進展を見るのが好きだな。ちょっとシニカルになってきてるけど、「細部に悪魔がいる」って感じかな。盛り上がりがあっても、結局は消えてしまったり、最後まで行かないことが多い気がする。このプロジェクトはパイロットプラントの段階にあるから、少なくともラボを出たってことだね。フルサイズの生産まで行ってほしいな。

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報道の性質上、人々は「新しい」ことを報告したがるよね。でも、もしそのものが実際に機能していたら「新しい」ってことはないはずで、ただ使われているだけだよね。だから、90%のところまで来てるものを報告することになる。時には人々が最後の10%を解決することもあるけど、そうじゃないこともある。解決できても20年かかることもあるし。

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「実現可能か？」って質問に答えるためには、「コスト効果があるか？」って質問に答えるための道のりがかなり長いと思う。技術を成熟させるには通常、多くのステップが必要で、それぞれのコストは指数関数的に増えていく。初期の（最も安い）ステップの資金を見つけるのはずっと簡単かもしれないし、特にリターンが予想以上に高いかもしれないからね。研究はギャンブルに似てる。どの賭けが成功するか予測できないけど、平均して勝てるなら、できるだけ多く賭ける価値がある。

今のところ、環境に優しそうで、パイロットプラントが動いてるのは良いことだね。ただ、いくつかの質問はまだ答えがないけど。現在のプラントは何ができるの？バッチごとに数日かかるプロセスみたいだけど、それでどれくらいのバッテリーが作れるの？混合金属製品にはニッケル・マンガン・コバルトも含まれてるけど、バッテリーに入れるのとは正確な比率が違うよね。NMCバッテリーを続けるとしても（今はLFPが主流だけど）。興味深い10%の鉱石を得るための最初の濃縮ステップって感じだね。まだどんな分離プロセスが残ってるの？濃縮物は素の鉱石よりずっと役立つと思うけど。全体的な経済性はどうなの？オリビンは廃棄物と見なされていて、すでに積み上げられてるから、別の採掘が必要ないのは理解してるけど、それって経済的なメリットになるの？（安い？）環境的？それとも市場投入の時間？（もっと容量が必要でも新たな採掘許可はいらない）。未使用のオリビンからのより環境に優しいけど高コストな抽出なの？それとも、すぐに他の汚い採掘を全部置き換えるの？（良すぎる気がする）。

多くの鉱石は、他の鉱石の処理の副産物なんだよね。ヘリウムの生産は、主に天然ガスの採掘の結果だし。高ボリュームで利益が出る（しかも環境的に厄介な）一般的な鉱石を採掘しないと、「レアアース」の重要な量は得られない。セレンとコバルトは銅の採掘から、インジウム・ゲルマニウム・ガリウムは亜鉛の採掘から、ニオブ・ネオジウム・プラセオジウムは鉄の採掘から、イットリウム・ネオジウムなどはボーキサイトやリン鉱の採掘から来る。面白いことに（インジウムのように）、副産物の需要が主鉱石（亜鉛）の需要を超えることがあって、その結果、価格が急上昇することがある（LCDディスプレイのITO導体のために）。他にもこれらの金属を得る場所はあるけど、経済的には成り立たない。クリーンで信頼性のある大量処理のためのインフラを構築するのは明らかに重要だね。

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ちょっと脱線するけど、シェリー樽の生産でも同じ副産物効果が見られるよ。多くのシェリーのボデガは、ウイスキーの蒸留所のために樽を作るためだけに存在してるんだ。

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もっと雑なスプライトパックとJava Swing UIを加えれば、Factorioは数千人規模の供給チェーン教育プラットフォームとしてマーケティングできるんじゃないかな。

このプロセスでは、間欠的な電源からの電力供給が比較的簡単に対応できそうだね。循環ポンプみたいに、オフにできないものを動かすためにバッテリーを追加することもできるし、全部を太陽光や風力で賄うこともできるかも。

オーストラリアは、政府から資金を得てすぐに倒産するような、期待を持たせる企業の実績があまり良くないね。実行が不十分だったり、品質管理が甘かったり、慢心や教育を受けた人材が不足していることが原因だよ。一方で、技術は中国の企業によって研究・改善され、すぐに広東で10億ドル企業になる。

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ニュージーランドにいるのは良いことだね。

記事には価格についての言及がないけど、バッテリー製造業者は「従来の」ソースからNMCを調達するのにいくら払わなきゃいけないの？「リサイクル」版はどれくらいの値段なの？こういう情報はどこで手に入るのか分からないし、SEやLLMも役に立たないから、正しいキーワードを見逃してるのかも :/

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科学と工学の違いって、「できるのか？」と「やるのにいくらかかるのか？」って感じだと思ってる。

計画は、プロセスを連続的に実行できるように、もう2つの反応チェーンを並行して追加することです。これで、実行時間が3日から1日に短縮されます。誰かが最適化して2.5日にして、機械ごとに週に2サイクルできるようにするのを待ってる感じ。各ステージで内容物が24時間か8時間待機する必要があるのか気になるな。そうなると、2交代制の労働者によってハードウェアの利用率が上がるかもしれないし。

オリビンは本当に面白い鉱物だね。安価な他の鉱物よりも高温で安定してるから、オリビン砂は石英が溶ける温度に耐える必要がある鋳造用途に使われてるんだ。（これは記事で言及されている「耐火砂の生産」だよ。）でも、オリビンは大気と接触すると室温では安定してないんだ。CO₂に対する親和性が強すぎて、化学的に変化して蛇紋岩になっちゃう。これは後で記事で代替品として言及されてるね。これが、オリビンを砂に粉砕してビーチに撒いて地球温暖化を逆転させる提案につながったんだけど、確かに効果があるだろうけど、簡単に行き過ぎて新たなスノーボールアースイベントを引き起こす可能性もある。しかも、地球の大部分を占めてるから、単なる地殻鉱山から採掘できる鉄やマグネシウムよりもはるかに多くの資源が得られる可能性がある。ただ、マントルから岩を掘り出すのは技術的にかなりの挑戦があるけどね。2枚目の写真の水酸化マグネシウムは「マグネシアミルク」としてもっと知られてるかもしれないけど、金属マグネシウムの供給源としての使い方の他にも、耐火絶縁体としてスワージド電気加熱要素や基本的な（高pH）鋳造用途にも使われてる。経済的に有効なニッケルやコバルトの供給源として、通常は十分な汚染があることは知らなかった。

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マグネシウム、ニッケル、コバルトのイオンはほぼ同じサイズなんだ。鉄イオンは少し大きくて、マンガンイオンはさらに大きい。だから、ニッケルとコバルトはマグネシウム鉱物の中で簡単にマグネシウムの代わりになって、鉄酸化物やマンガン酸化物を含む近くの鉱物と比べて、そっちに豊富に存在するんだ。でも、鉄やマンガンの大きいイオンもマグネシウムイオンのサイズとはあまり変わらないから、オリビンの中では一部のマグネシウムイオンがニッケルやコバルトイオンの他に鉄やマンガンイオンに置き換わってるんだ。鉄とマンガンはどこにでも豊富にあるから、結晶構造にぴったり合わないとしてもね。

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セルペンティナイゼーションのプロセスは、人類を救う別の歴史なんだって。真ん中に分析があるすごく長い記事があるよ： https://worksinprogress.co/issue/olivine-weathering/ 。確か中米のどこかの国が「グリーンビーチ」を作ったって聞いたことがあるけど、どうしても見つけられない。もしかしたら、記憶違いかもね。

炭素隔離にはすごくいいかもしれないね。オリビンに価値を与えて、プロセスが潜在的に有毒な金属を取り除いたオリビンの粉を生成して、CO₂を捕まえるのに使えるんだ。

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いや、オリビンの粉を消費するんだよ。生成するわけじゃない。オリビンの粉には有害な金属がいっぱい含まれてるけど、吸い込まなければ大丈夫。オリビンは水に溶けないし。