硫酸マンガンの製造方法
【課題】リチウムイオン電池から回収した正極材を原料として高純度の硫酸マンガンを製造する方法を提供する。
【解決手段】１）アルミニウム及びマンガンを含有する硫酸酸性水溶液を準備する工程と、ここで、当該硫酸酸性水溶液はリチウムイオン電池の正極材を硫酸浸出して得られた浸出後液に対して、溶媒抽出及び硫酸による逆抽出を経て得られた逆抽出液である、２）当該硫酸酸性水溶液を加熱濃縮することにより、アルミニウムの溶解を維持しながら硫酸マンガンを析出する工程と、３）固液分離により、析出した硫酸マンガンを回収する工程と、を含む硫酸マンガンの製造方法。
【解決手段】１）アルミニウム及びマンガンを含有する硫酸酸性水溶液を準備する工程と、ここで、当該硫酸酸性水溶液はリチウムイオン電池の正極材を硫酸浸出して得られた浸出後液に対して、溶媒抽出及び硫酸による逆抽出を経て得られた逆抽出液である、２）当該硫酸酸性水溶液を加熱濃縮することにより、アルミニウムの溶解を維持しながら硫酸マンガンを析出する工程と、３）固液分離により、析出した硫酸マンガンを回収する工程と、を含む硫酸マンガンの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、硫酸マンガンの製造方法に関し、とりわけ使用済みのリチウムイオン電池から回収した正極材を原料として硫酸マンガンを製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン２次電池は、携帯電話、ノートパソコン、それに自動車用などに、近年急速に需要が拡大している。そのため今後、廃棄されるリチウムイオン２次電池の量も大きくなると予想されている。マンガンなどのレアメタルは、鉱石産出国が限られていることから、今後の価格高騰に備え、国内でリサイクルの方法を確立する必要がある。
【０００３】
マンガンなどのレアメタルをリチウムイオン電池から回収する方法として、例えば、特開２００９−１９３７７８号公報（特許文献１）に記載される方法がある。
この方法では、Ｃｏ、Ｎｉ及びＭｎを含有するリチウム酸金属塩を正極活物質として使用したリチウムイオン電池滓を、硫酸や塩酸等の浸出液を用いて浸出する。浸出後液を苛性ソーダ等で中和後に、マンガンを溶媒抽出で分離し、さらに希硫酸で逆抽出することで、硫酸マンガン溶液を得る。その後、この溶液を苛性ソーダや炭酸ソーダ等で中和し、濾過を施してＭｎをＭｎ（ＯＨ）2、ＭｎＣＯ3等として回収することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１９３７７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
リチウムイオン電池の電極体は一般に、正極、セパレータ及び負極が幾十にも巻回又は積層されたスタック構造を有している。このうち、正極は典型的にはアルミニウム箔でできた正極集電体とその表面にバインダーを介して接着されたＬｉＣｏＯ2、ＬｉＮｉＯ2及びＬｉＭｎ2Ｏ4といったリチウム複合酸化物を材料とする正極活物質から構成されている。
【０００６】
正極活物質中に含まれるマンガン等の有価金属を回収する場合、集電体であるアルミニウム箔を剥離した上で各種金属の回収を行う試みがなされているが、正極活物質は集電体と強固に接着されていることから、完全に剥離することは難しく、使用済みのリチウムイオン電池から回収した正極活物質中にアルミニウムが混入していることも多い。
【０００７】
しかしながら、特開２００９−１９３７７８号公報（特許文献１）に記載の方法ではアルミニウムの混入について検討されておらず、硫酸マンガンを高純度で得る点に関しては改善の余地が残されている。そこで、本発明はリチウムイオン電池から回収した正極材を原料として高純度の硫酸マンガンを製造する方法を提供することを課題の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、リチウムイオン電池の正極材を酸浸出した後、溶媒抽出及び逆抽出して得られた硫酸マンガンを含有する逆抽出液を加熱濃縮することによって硫酸マンガンを析出すると、溶解度の差によってアルミニウムと上手く分離し、高純度の硫酸マンガンが得られることが分かった。
【０００９】
以上の知見を基礎として完成した本発明は一側面において、
１）アルミニウム及びマンガンを含有する硫酸酸性水溶液を準備する工程と、ここで、当該硫酸酸性水溶液はリチウムイオン電池の正極材を硫酸浸出して得られた浸出後液に対して、溶媒抽出及び硫酸による逆抽出を経て得られた逆抽出液である、
２）当該硫酸酸性水溶液を加熱濃縮することにより、アルミニウムの溶解を維持しながら硫酸マンガンを析出する工程と、
３）固液分離により、析出した硫酸マンガンを回収する工程と、
を含む硫酸マンガンの製造方法である。
【００１０】
また、本発明に係る硫酸マンガンの製造方法の一実施形態においては、
浸出後液は、コバルト、ニッケル及びリチウムの少なくとも１種からなる金属群Ａと、アルミニウム及びマンガンとを含有しており、前記硫酸酸性水溶液は当該浸出後液を溶媒抽出することによりアルミニウム及びマンガンを同時に溶媒へ抽出して金属群Ａを除去し、次いで硫酸で逆抽出することで得られた逆抽出液である。
【００１１】
更に、本発明に係る硫酸マンガンの製造方法の別の一実施形態においては、
浸出後液は、コバルト、ニッケル及びリチウムの少なくとも１種からなる金属群Ａと、アルミニウム及びマンガンと、更に鉄とを含有しており、前記硫酸酸性水溶液は当該浸出後液から中和沈澱処理によって鉄及びアルミニウムを除去した後に、溶媒抽出することによりマンガン及び除去しきれなかったアルミニウムを同時に溶媒へ抽出して金属群Ａを除去し、次いで硫酸で逆抽出することで得られた逆抽出液である。
【００１２】
本発明に係る硫酸マンガンの製造方法の更に別の一実施形態においては、
浸出後液は、コバルト、ニッケル及びリチウムの少なくとも１種からなる金属群Ａと、アルミニウム及びマンガンと、更に鉄とを含有しており、前記硫酸酸性水溶液は当該浸出後液から中和沈澱処理によって９０％以上の鉄及び５０％以下のアルミニウムを除去した後に、溶媒抽出することによりマンガン及び残部のアルミニウムを同時に溶媒へ抽出して金属群Ａを除去し、次いで硫酸で逆抽出することで得られた逆抽出液である。
【００１３】
また、本発明に係る硫酸マンガンの製造方法の更に別の一実施形態においては、
溶媒抽出後の溶媒にはマンガン及びアルミニウムの他に除去しきれなかった金属群Ａが含まれており、硫酸マンガン水溶液で当該溶媒を洗浄して金属群Ａを更に除去した後に、逆抽出を実施する。
【００１４】
更に、本発明に係る硫酸マンガンの製造方法の更に別の一実施形態においては、
洗浄に使用する硫酸マンガン水溶液の平衡ｐＨが１．８〜２．０である。
【００１５】
本発明に係る硫酸マンガンの製造方法の更に別の一実施形態においては、
硫酸酸性水溶液中のアルミニウムの濃度が０．５ｇ／Ｌ以下であり、マンガンの濃度が５０〜１３０ｇ／Ｌである。
【００１６】
本発明に係る硫酸マンガンの製造方法の更に別の一実施形態においては、
硫酸酸性水溶液中のアルミニウムの濃度が０．５〜１０ｇ／Ｌであり、マンガンの濃度が５０〜１３０ｇ／Ｌである。
【００１７】
本発明に係る硫酸マンガンの製造方法の更に別の一実施形態においては、
溶媒抽出において、平衡ｐＨ２．６〜３．０で溶媒抽出する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、リチウムイオン電池から回収した正極材を原料として高純度の硫酸マンガンを製造することができる。本発明は使用済みのリチウムイオン電池をリサイクルするための要素技術として極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】溶媒抽出時の平衡ｐＨと各元素の抽出率との関係を示すグラフである。
【図２】水酸化ナトリウム水溶液を中和剤とし、ｐＨ値を変化させて中和処理を行ったときの、中和反応液中の、鉄、アルミニウム、マンガン、コバルト及びニッケルの中和反応前に対する減少率を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明に係る硫酸マンガンの製造方法は一実施形態において、
１）アルミニウム及びマンガンを含有する硫酸酸性水溶液を準備する工程と、ここで、当該硫酸酸性水溶液はリチウムイオン電池の正極材を硫酸浸出して得られた浸出後液に対して、溶媒抽出及び硫酸による逆抽出を経て得られた逆抽出液である、
２）当該硫酸酸性水溶液を加熱濃縮することにより、アルミニウムの溶解を維持しながら硫酸マンガンを析出する工程と、
３）固液分離により、析出した硫酸マンガンを回収する工程と、
を含む。
【００２１】
（工程１）
工程１ではアルミニウム及びマンガンを含有する硫酸酸性水溶液を準備する。本発明が対象とする硫酸酸性水溶液は、リチウムイオン電池の正極材を硫酸浸出して得られた浸出後液に対して、溶媒抽出及び硫酸による逆抽出を経て得られた逆抽出液である。
【００２２】
リチウムイオン電池の正極材としては、限定的ではないが、使用済みのリチウムイオン電池から回収した正極材、製造過程等で発生した規格外（オフスペック）の正極材、品質管理上の抜取検査処理用の正極材、リチウムイオン電池の破砕粉及び製造過程で発生した端材等が挙げられる。正極材はアルミニウム箔等の集電体がバインダーを介して正極活物質と接着した構成で提供されることが多いが、集電体は剥離しておくことが望ましい。剥離する方法としては、限定的ではないが、バインダーを選択的に熱分解する方法、バインダーを焼却する方法、バインダーを薬品で溶解する方法、機械的に剥離する方法などがある。ただし、その場合でも、剥離しきれなかったアルミニウムの他、正極活物質の材料中に含まれるアルミニウムに由来して、浸出後液中にアルミニウムが含まれることが多い。
【００２３】
また、正極活物質中には、コバルト、ニッケル、リチウム、マンガン等の金属が含まれており、浸出後液にはこれらの金属も含まれているのが一般的である。その他、鉄も浸出後液中に存在することが多い。
【００２４】
硫酸浸出の際には、コバルトやニッケルをできるだけ溶解するため、過酸化水素等の酸化剤を供給しながら液中の酸化還元電位を２００〜１５００ｍＶ（Ａｇ／ＡｇＣｌ電極基準）に制御することが好ましく、２００〜５００ｍＶ（Ａｇ／ＡｇＣｌ電極基準）に制御することがより好ましい。浸出液のｐＨは、溶解を促進するために５以下とするのが好ましく、３以下とするのがより好ましい。また、攪拌しながら浸出することで浸出効率を上げることができる。硫酸浸出後、濾過等の固液分離によって浸出残渣を除去することで浸出後液が得られる。得られた浸出後液は一般にｐＨが５以下であり、典型的にはｐＨが１〜３である。
【００２５】
一実施形態においては、浸出後液は、コバルト、ニッケル及びリチウムの少なくとも１種からなる金属群Ａと、アルミニウム及びマンガンとを含有している。そのような浸出後液は例えば、１０〜３００ｇ／Ｌの硫酸、０．００１〜２０ｇ／Ｌのアルミニウム、０．００１〜３０ｇ／Ｌのマンガン、０．００１〜４０ｇ／Ｌのコバルト、０．００１〜３０ｇ／Ｌのニッケル、０．００１〜３０ｇ／Ｌのリチウムを含有することができる。
【００２６】
当該浸出後液を溶媒抽出することによりアルミニウム及びマンガンを同時に溶媒へ抽出して金属群Ａを除去することができる。すなわち、アルミニウム及びマンガンは溶媒へ移行するが、金属群Ａは浸出後液中に留まることにより、金属群Ａからアルミニウム及びマンガンを分離することができる。
【００２７】
このとき、金属群Ａは大部分が溶媒に抽出されず分離回収されるが、一部は抽出される場合がある。一部抽出されたコバルト、ニッケル及びリチウムは後述する溶媒抽出後の洗浄工程で回収できるためロスにはならない。このように溶媒抽出でアルミニウム及びマンガンを同時に抽出することで、コバルト、ニッケル及びリチウムのロスを抑えつつアルミニウムとマンガンを効率良く回収することができる。
【００２８】
抽出剤としては、限定的ではないが、酸性リン酸エステル系抽出剤が好ましい。また、酸性リン酸エステル系抽出剤の中でも、ビス（２−エチルヘキシル）ホスフェートは、アルミニウムを抽出するためのｐＨ値及びマンガンを抽出するためのｐＨ値が近いため、アルミニウム及びマンガンの同時抽出用の抽出剤として特に好ましい。
【００２９】
溶媒抽出は、上記抽出剤を炭化水素系溶剤で希釈して調整した溶媒と、硫酸酸性溶液とを混合して行うことができる。この抽出剤と炭化水素系溶剤との体積混合比は、抽出剤：炭化水素系溶剤＝１：１〜１：５とするのが好ましく１：３であるのがより好ましい。炭化水素系溶剤としては、芳香族系、パラフィン系、ナフテン系溶剤等が利用可能であり、なかでもナフテン系溶剤がより好ましい。
【００３０】
溶媒抽出の手順は常法に従えばよい。一例を挙げれば、浸出後液（水相）と前記抽出剤（有機相）を接触させ、典型的にはミキサーでこれらを攪拌混合（例：２００〜５００ｒｐｍで５〜３０分）し、金属群Ａのイオンを抽出剤と反応させる。溶媒抽出は、常温（例：１５〜２５℃）〜６０℃以下で実施することができ、有機相の劣化を防止するなどの理由により３５〜４５℃で実施することが好ましい。その後、セトラーにより、混合した有機相と水相を比重差により分離する。溶媒抽出は繰り返し行ってもよく、例えば有機相と水相が向流接触するようにした多段方式とすることもできる。
【００３１】
Ｏ／Ａ比（水相に対する油相の体積比）は、想定する浸出液の金属イオン濃度により変化するため限定的ではないが、経済的な理由により０．１〜５とするのが好ましく、１〜３とするのがより好ましい。
【００３２】
図１に、溶媒抽出時の平衡ｐＨと各元素の抽出率との関係を示す。図１により、マンガン及びアルミニウム抽出時の平衡ｐＨは、２．６〜３．０の範囲に調整するのが好ましいことが分かる。ｐＨ調整剤としては、水酸化ナトリウム、炭酸ナトリウム等を使用することができる。平衡ｐＨが３．０よりも高いと、Ｃｏ及びＮｉの抽出率が上昇して除去効率が低下する傾向にある。また、浸出後液中に含まれるアルミニウムの水酸化物が発生し、装置の配管を詰まらせる場合がある。また、ｐＨが２．６よりも低いとマンガン及びアルミニウムの抽出率が低下してしまい、浸出液からのマンガン及びアルミニウムの抽出分離が十分にできない場合がある。
【００３３】
溶媒抽出後、溶媒中のアルミニウム及びマンガンは、硫酸で逆抽出することでマンガン及びアルミニウムが溶解した硫酸酸性水溶液が得られる。硫酸酸性水溶液中で、マンガンは硫酸マンガン（ＭｎＳＯ4）として、アルミニウムは硫酸アルミニウム（Ａｌ2（ＳＯ4）3）としてそれぞれ存在すると考えられる。逆抽出に使用する硫酸の濃度としては２５〜２００ｇ／Ｌが好ましく、３０〜１００ｇ／Ｌがより好ましい。硫酸濃度が２５ｇ／Ｌ未満であるとマンガンの逆抽出が不十分になる可能性があり、２００ｇ／Ｌ超であるとコストがかかるという問題がある。
【００３４】
溶媒抽出後の溶媒にはマンガン及びアルミニウムの他に除去しきれなかった金属群Ａが含まれている場合がある。そこで、硫酸マンガン水溶液で当該溶媒を洗浄して金属群Ａを更に除去した後に、逆抽出を実施することが純度の高い硫酸マンガンを製造する上では好ましい。使用する硫酸マンガン水溶液は、平衡ｐＨが１．８〜２．０に調整されていることが好ましい。また、硫酸マンガンの濃度は高いほうが硫酸マンガンが析出しやすいため、マンガン濃度で２０ｇ／Ｌ以上とするのが好ましい。この洗浄によって、抽出でアルミニウム及びマンガン以外に溶媒中に移行した金属群Ａを回収する。回収された当該金属を含む洗浄液は、溶媒抽出の抽出前液として戻すことができ、これによりコバルト、ニッケル及びリチウム等の金属のロスを低減できる。
【００３５】
溶媒抽出前に、アルミニウムを中和処理によってアルミニウムを水酸化物として沈澱させ、固液分離することで、部分的に除去しておくこともできる。これにより、後段の加熱濃縮工程においてアルミニウム分離に対する負担を軽減することが出来る。また、浸出後液は更に鉄を含有する場合があり、例えば０．００１〜１０ｇ／Ｌの鉄を含有する場合がある。この場合、溶媒抽出前に鉄を除去しておくことが望ましいが、これも中和沈澱処理によって達成可能である。すなわち、浸出後液から中和処理によってアルミニウムと同時に鉄を水酸化物として沈澱させ、固液分離により除去することができる。
【００３６】
中和剤はアルカリ金属、アルカリ土類金属の水酸化物水溶液又は炭酸化物水溶液であればよく、例えば水酸化ナトリウム、炭酸ナトリウムの水溶液等を用いることができる。
中和沈澱処理によってアルミニウムと同時に鉄も除去することができる。ｐＨが高くなるにつれてアルミニウム及び鉄の除去率が高くなるのでこの段階でアルミニウム及び鉄を高度に除去することも可能であるが、高すぎるとマンガン、コバルト、ニッケル等の他の金属まで損失してしまうことに留意する必要がある。
【００３７】
図２に水酸化ナトリウム水溶液を中和剤とし、ｐＨ値を変化させたときの、中和反応液中の、マンガン、コバルト、ニッケル、アルミニウム及び鉄の中和反応前に対する減少率を示す。図２から中和処理におけるｐＨは３．５〜４．５の範囲に調整することが好ましいことが分かる。つまり、ｐＨが４．５超であるとマンガン、コバルト、ニッケル等の他の金属の減少率、すなわち損失が増えてしまう一方で、ｐＨが３．５未満であると鉄の除去が不十分となる可能性がある。
【００３８】
本発明の一実施形態においては、中和沈澱処理によって９０％以上の鉄及び５０％以下のアルミニウムを除去することができ、典型的な実施形態においては９５％以上の鉄及び１５％以下のアルミニウムを除去することができ、例えば９５〜９９％の鉄及び２〜１５％以下のアルミニウムを除去することができる。
【００３９】
中和処理時の酸化還元電位（銀／塩化銀電極基準）は５００ｍＶ以上が好ましい。５００ｍＶ未満であると、液中の鉄の酸化が不十分で中和処理における鉄の除去が不十分となる。酸化還元電位を５００ｍＶ以上にする方法としては、過酸化水素水を添加する方法や空気を吹き込む方法がある。
【００４０】
このように、中和の際のｐＨ値及び酸化還元電位を規定することで、酸浸出液から鉄を水酸化物として良好に分離・除去しつつ、アルミニウムは一部だけ水酸化物として析出させ、大部分を浸出後液に残すことができる。このため、当該中和工程において濾過性の不良なアルミニウムの水酸化物の除去に費やす時間が短くなり、且つ、中和時の共沈作用によるマンガン及びその他の金属の沈殿も抑制され、その結果、後工程において高い回収率でマンガンを回収することが可能となる。
【００４１】
中和沈澱処理の後、マンガン及び除去しきれなかったアルミニウムを含有する浸出後液に対して、前述した溶媒抽出を実施すればよい。
【００４２】
（工程２）
工程２では、工程１によって得られた硫酸酸性水溶液（逆抽出液）を加熱濃縮することにより、アルミニウムの溶解を維持しながら硫酸マンガンを析出する。硫酸酸性水溶液中に存在するマンガン及びアルミニウムは溶解度が異なるため、これを利用することで、アルミニウムを除去して純度の高い硫酸マンガンを得ることが可能となる。ただし、硫酸酸性水溶液中のアルミニウム濃度が高すぎたり、マンガンの濃度が低すぎたりすると、加熱濃縮時にアルミニウムが析出しやすくなるので、硫酸酸性水溶液中のアルミニウムの濃度は１０ｇ／Ｌ以下とするのが好ましく、０．５ｇ／Ｌ以下とするのがより好ましい。また、硫酸酸性水溶液中のマンガンの濃度は５０ｇ／Ｌ以上とするのが好ましく、８０ｇ／Ｌ以上とするのがより好ましい。
【００４３】
本発明の一実施形態においては、硫酸酸性水溶液（逆抽出液）中のアルミニウムの濃度が０．５ｇ／Ｌ以下（例えば、０．１〜０．５ｇ／Ｌ）であり、マンガンの濃度が５０〜１３０ｇ／Ｌ（例えば、６０〜１００ｇ／Ｌ）である。先述した中和沈澱処理においてアルミニウムの除去を低く抑えた場合、典型的には、硫酸酸性水溶液中のアルミニウムの濃度が０．５〜１０ｇ／Ｌ（例えば、２〜８ｇ／Ｌ）であり、マンガンの濃度が５０〜１３０ｇ／Ｌ（例えば、６０〜１００ｇ／Ｌ）である。
【００４４】
加熱濃縮時の温度としては、濃縮を行う時間を短縮するためには８０℃以上が好ましく、８５℃〜９５℃が更に好ましい。
【００４５】
（工程３）
工程３では、加熱濃縮によって析出した硫酸マンガンを固液分離により回収する。固液分離の方法は限定的ではないが、濾過、デカンテーション等により行えばよく、付着水をできるだけ取り除くためには、濾過がより好ましい。固液分離は、溶解しているアルミニウムが析出しないように、６０℃以上で行うのが好ましく、１００℃を超えることはないが、必要以上に高くすることはなく、７０℃以下とするのが好ましい。工程３によって高純度の硫酸マンガンを得ることができる。回収した硫酸マンガンは、更に水（好ましくは純水）に溶解して飽和溶液とし、再度加熱濃縮により析出及び固液分離することで更に純度を高めることができる。飽和溶液からの濃縮倍率は不純物、例えばアルミニウムやカルシウムの溶解度を考慮して決定すれば良いが、例えば２〜１０倍とすることができ、好ましくは５〜７倍とすることができる。
【実施例】
【００４６】
以下、本発明の実施例を説明するが、実施例は例示目的であって発明が限定されることを意図しない。
【００４７】
（実施例１）
使用済みリチウムイオン電池を解体して正極材を取出し、正極活物質のみを集電体のアルミニウム箔から削り取った。正極活物質をｐＨ０．２の硫酸水溶液１Ｌ中に浸漬し、３００ｒｐｍで３０分間撹拌して金属成分を浸出した。液温は特に加温しなかったが、４０〜５０℃程度であった。浸出中、過酸化水素を徐々に供給して酸化還元電位（ＯＲＰ）を４００〜７００ｍＶ（Ａｇ／ＡｇＣｌ電極基準、以下同じ）に制御した。浸出後の硫酸濃度は４０ｇ／Ｌとなった。硫酸浸出後、濾過によって浸出残渣を除去し、浸出後液を得た。ＩＣＰ発光法で測定したところ、浸出後液中の金属成分の濃度は表１に記載の通りとなった。
【００４８】
【表１】
【００４９】
この浸出後液に、水酸化ナトリウムをｐＨが４．１になるまで添加してアルミニウムを水酸化物として沈澱させ、これらを濾過により除去した。中和沈澱処理によって６４％のアルミニウムが除去された。
【００５０】
中和沈澱処理後の浸出後液と、ビス（２−エチルヘキシル）ホスフェート（ＬＡＮＸＥＳＳ 商品名：Ｄ２ＥＨＰＡ）をナフテン系溶剤（シェルケミカルズ 商品名：ｓｈｅｌｌｓｏｌＤ７０）で２５ｖｏｌ％に希釈調整した溶媒とをＯ／Ａ＝１（体積比）になるように混合して常温で撹拌し、平衡ｐＨ２．８となるように水酸化ナトリウムで調整しながらマンガンの溶媒抽出を行った。
【００５１】
溶媒抽出後、得られた溶媒を２０−４０ｇ／Ｌの濃度の硫酸マンガン水溶液（平衡ｐＨ：１．８）を用いて洗浄した。具体的には両者を２０分間混合撹拌（８００ｒｐｍ）した後、比重差により分離した。洗浄後の溶媒と硫酸溶液（Ｈ2ＳＯ4濃度１００ｇ／Ｌ）５Ｌを常温で２０分間混合撹拌（８００ｒｐｍ）することによりマンガンを逆抽出し、表２に記載の成分を有する逆抽出液を得た。各成分の濃度はＩＣＰ発光法で測定した。
【００５２】
【表２】
【００５３】
得られた逆抽出液を８０〜９５℃で加熱濃縮したところ、逆抽出液中の硫酸マンガンは経時的に表３に記載の濃度変化を示した。それぞれの時点で析出した硫酸マンガンを濾過により一部抜き出したところ、硫酸マンガンは表４に記載の品位を有していた。各成分の濃度は一部を溶解し、ＩＣＰ発光法で測定した。
【００５４】
【表３】
【００５５】
【表４】
【００５６】
ここで、Ｎｏ．２の硫酸マンガン３９０ｇを純水に溶解して９００ｍＬの飽和溶液を作製し、これを３倍に加熱濃縮して３００ｍＬとして硫酸マンガンを再結晶させた。その後、濾過して得られた硫酸マンガンは表５に記載の品位を有していた。参考のため、工業用に市販されている硫酸マンガンの品位も掲載する。市販されている硫酸マンガンと遜色ない品位を有していることが分かる。
【００５７】
【表５】
【００５８】
（実施例２）
例１と同様の浸出後液に、ビス（２−エチルヘキシル）ホスフェート（ＬＡＮＸＥＳＳ 商品名：Ｄ２ＥＨＰＡ）をナフテン系溶剤（シェルケミカルズ 商品名：ｓｈｅｌｌｓｏｌＤ７０）で２５ｖｏｌ％に希釈調整した溶媒とをＯ／Ａ＝４（体積比）になるように混合して常温で撹拌し、平衡ｐＨ２．８となるように水酸化ナトリウムで調整しながらマンガンとアルミニウムの溶媒抽出を行った。
【００５９】
溶媒抽出後、得られた溶媒を２０−４０ｇ／Ｌの濃度の硫酸マンガン水溶液（平衡ｐＨ：１．８）Ｌを用いて洗浄した。具体的には両者を２０分間混合撹拌（８００ｒｐｍ）した後、比重差により分離した。洗浄後の溶媒と硫酸溶液（Ｈ2ＳＯ4濃度１００ｇ／Ｌ）５Ｌを常温で２０分間混合撹拌（８００ｒｐｍ）することによりアルミニウム及びマンガンを逆抽出し、表６に記載の成分を有する逆抽出液を得た。
【００６０】
【表６】
【００６１】
得られた逆抽出液を８５〜９５℃で加熱濃縮したところ、逆抽出液中の硫酸マンガンは経時的に表７に記載の濃度変化を示した。Ｎｏ．５及びＮｏ．６についてはアルミニウムの析出は認められなかったが、加熱濃縮が過剰であったＮｏ．７（比較例）については、アルミニウムの析出が認められた。Ｎｏ．５及びＮｏ．６のそれぞれの時点で析出した硫酸マンガンを濾過により一部抜き出したところ、硫酸マンガンは表８に記載の品位を有していた。表８中、洗浄後というのはＮｏ．５の硫酸マンガン４８０ｗｅｔｇを純水１００ｍＬで２回洗浄した後の硫酸マンガンについての分析値である。洗浄水にはマンガンが含まれるので、洗浄回数は２回が最適であることが分かった。これ以上洗浄を繰り返すと、Ｍｎの純度が低下する傾向が見られた。
【００６２】
【表７】
【００６３】
【表８】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、硫酸マンガンの製造方法に関し、とりわけ使用済みのリチウムイオン電池から回収した正極材を原料として硫酸マンガンを製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン２次電池は、携帯電話、ノートパソコン、それに自動車用などに、近年急速に需要が拡大している。そのため今後、廃棄されるリチウムイオン２次電池の量も大きくなると予想されている。マンガンなどのレアメタルは、鉱石産出国が限られていることから、今後の価格高騰に備え、国内でリサイクルの方法を確立する必要がある。
【０００３】
マンガンなどのレアメタルをリチウムイオン電池から回収する方法として、例えば、特開２００９−１９３７７８号公報（特許文献１）に記載される方法がある。
この方法では、Ｃｏ、Ｎｉ及びＭｎを含有するリチウム酸金属塩を正極活物質として使用したリチウムイオン電池滓を、硫酸や塩酸等の浸出液を用いて浸出する。浸出後液を苛性ソーダ等で中和後に、マンガンを溶媒抽出で分離し、さらに希硫酸で逆抽出することで、硫酸マンガン溶液を得る。その後、この溶液を苛性ソーダや炭酸ソーダ等で中和し、濾過を施してＭｎをＭｎ（ＯＨ）2、ＭｎＣＯ3等として回収することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１９３７７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
リチウムイオン電池の電極体は一般に、正極、セパレータ及び負極が幾十にも巻回又は積層されたスタック構造を有している。このうち、正極は典型的にはアルミニウム箔でできた正極集電体とその表面にバインダーを介して接着されたＬｉＣｏＯ2、ＬｉＮｉＯ2及びＬｉＭｎ2Ｏ4といったリチウム複合酸化物を材料とする正極活物質から構成されている。
【０００６】
正極活物質中に含まれるマンガン等の有価金属を回収する場合、集電体であるアルミニウム箔を剥離した上で各種金属の回収を行う試みがなされているが、正極活物質は集電体と強固に接着されていることから、完全に剥離することは難しく、使用済みのリチウムイオン電池から回収した正極活物質中にアルミニウムが混入していることも多い。
【０００７】
しかしながら、特開２００９−１９３７７８号公報（特許文献１）に記載の方法ではアルミニウムの混入について検討されておらず、硫酸マンガンを高純度で得る点に関しては改善の余地が残されている。そこで、本発明はリチウムイオン電池から回収した正極材を原料として高純度の硫酸マンガンを製造する方法を提供することを課題の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、リチウムイオン電池の正極材を酸浸出した後、溶媒抽出及び逆抽出して得られた硫酸マンガンを含有する逆抽出液を加熱濃縮することによって硫酸マンガンを析出すると、溶解度の差によってアルミニウムと上手く分離し、高純度の硫酸マンガンが得られることが分かった。
【０００９】
以上の知見を基礎として完成した本発明は一側面において、
１）アルミニウム及びマンガンを含有する硫酸酸性水溶液を準備する工程と、ここで、当該硫酸酸性水溶液はリチウムイオン電池の正極材を硫酸浸出して得られた浸出後液に対して、溶媒抽出及び硫酸による逆抽出を経て得られた逆抽出液である、
２）当該硫酸酸性水溶液を加熱濃縮することにより、アルミニウムの溶解を維持しながら硫酸マンガンを析出する工程と、
３）固液分離により、析出した硫酸マンガンを回収する工程と、
を含む硫酸マンガンの製造方法である。
【００１０】
また、本発明に係る硫酸マンガンの製造方法の一実施形態においては、
浸出後液は、コバルト、ニッケル及びリチウムの少なくとも１種からなる金属群Ａと、アルミニウム及びマンガンとを含有しており、前記硫酸酸性水溶液は当該浸出後液を溶媒抽出することによりアルミニウム及びマンガンを同時に溶媒へ抽出して金属群Ａを除去し、次いで硫酸で逆抽出することで得られた逆抽出液である。
【００１１】
更に、本発明に係る硫酸マンガンの製造方法の別の一実施形態においては、
浸出後液は、コバルト、ニッケル及びリチウムの少なくとも１種からなる金属群Ａと、アルミニウム及びマンガンと、更に鉄とを含有しており、前記硫酸酸性水溶液は当該浸出後液から中和沈澱処理によって鉄及びアルミニウムを除去した後に、溶媒抽出することによりマンガン及び除去しきれなかったアルミニウムを同時に溶媒へ抽出して金属群Ａを除去し、次いで硫酸で逆抽出することで得られた逆抽出液である。
【００１２】
本発明に係る硫酸マンガンの製造方法の更に別の一実施形態においては、
浸出後液は、コバルト、ニッケル及びリチウムの少なくとも１種からなる金属群Ａと、アルミニウム及びマンガンと、更に鉄とを含有しており、前記硫酸酸性水溶液は当該浸出後液から中和沈澱処理によって９０％以上の鉄及び５０％以下のアルミニウムを除去した後に、溶媒抽出することによりマンガン及び残部のアルミニウムを同時に溶媒へ抽出して金属群Ａを除去し、次いで硫酸で逆抽出することで得られた逆抽出液である。
【００１３】
また、本発明に係る硫酸マンガンの製造方法の更に別の一実施形態においては、
溶媒抽出後の溶媒にはマンガン及びアルミニウムの他に除去しきれなかった金属群Ａが含まれており、硫酸マンガン水溶液で当該溶媒を洗浄して金属群Ａを更に除去した後に、逆抽出を実施する。
【００１４】
更に、本発明に係る硫酸マンガンの製造方法の更に別の一実施形態においては、
洗浄に使用する硫酸マンガン水溶液の平衡ｐＨが１．８〜２．０である。
【００１５】
本発明に係る硫酸マンガンの製造方法の更に別の一実施形態においては、
硫酸酸性水溶液中のアルミニウムの濃度が０．５ｇ／Ｌ以下であり、マンガンの濃度が５０〜１３０ｇ／Ｌである。
【００１６】
本発明に係る硫酸マンガンの製造方法の更に別の一実施形態においては、
硫酸酸性水溶液中のアルミニウムの濃度が０．５〜１０ｇ／Ｌであり、マンガンの濃度が５０〜１３０ｇ／Ｌである。
【００１７】
本発明に係る硫酸マンガンの製造方法の更に別の一実施形態においては、
溶媒抽出において、平衡ｐＨ２．６〜３．０で溶媒抽出する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、リチウムイオン電池から回収した正極材を原料として高純度の硫酸マンガンを製造することができる。本発明は使用済みのリチウムイオン電池をリサイクルするための要素技術として極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】溶媒抽出時の平衡ｐＨと各元素の抽出率との関係を示すグラフである。
【図２】水酸化ナトリウム水溶液を中和剤とし、ｐＨ値を変化させて中和処理を行ったときの、中和反応液中の、鉄、アルミニウム、マンガン、コバルト及びニッケルの中和反応前に対する減少率を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明に係る硫酸マンガンの製造方法は一実施形態において、
１）アルミニウム及びマンガンを含有する硫酸酸性水溶液を準備する工程と、ここで、当該硫酸酸性水溶液はリチウムイオン電池の正極材を硫酸浸出して得られた浸出後液に対して、溶媒抽出及び硫酸による逆抽出を経て得られた逆抽出液である、
２）当該硫酸酸性水溶液を加熱濃縮することにより、アルミニウムの溶解を維持しながら硫酸マンガンを析出する工程と、
３）固液分離により、析出した硫酸マンガンを回収する工程と、
を含む。
【００２１】
（工程１）
工程１ではアルミニウム及びマンガンを含有する硫酸酸性水溶液を準備する。本発明が対象とする硫酸酸性水溶液は、リチウムイオン電池の正極材を硫酸浸出して得られた浸出後液に対して、溶媒抽出及び硫酸による逆抽出を経て得られた逆抽出液である。
【００２２】
リチウムイオン電池の正極材としては、限定的ではないが、使用済みのリチウムイオン電池から回収した正極材、製造過程等で発生した規格外（オフスペック）の正極材、品質管理上の抜取検査処理用の正極材、リチウムイオン電池の破砕粉及び製造過程で発生した端材等が挙げられる。正極材はアルミニウム箔等の集電体がバインダーを介して正極活物質と接着した構成で提供されることが多いが、集電体は剥離しておくことが望ましい。剥離する方法としては、限定的ではないが、バインダーを選択的に熱分解する方法、バインダーを焼却する方法、バインダーを薬品で溶解する方法、機械的に剥離する方法などがある。ただし、その場合でも、剥離しきれなかったアルミニウムの他、正極活物質の材料中に含まれるアルミニウムに由来して、浸出後液中にアルミニウムが含まれることが多い。
【００２３】
また、正極活物質中には、コバルト、ニッケル、リチウム、マンガン等の金属が含まれており、浸出後液にはこれらの金属も含まれているのが一般的である。その他、鉄も浸出後液中に存在することが多い。
【００２４】
硫酸浸出の際には、コバルトやニッケルをできるだけ溶解するため、過酸化水素等の酸化剤を供給しながら液中の酸化還元電位を２００〜１５００ｍＶ（Ａｇ／ＡｇＣｌ電極基準）に制御することが好ましく、２００〜５００ｍＶ（Ａｇ／ＡｇＣｌ電極基準）に制御することがより好ましい。浸出液のｐＨは、溶解を促進するために５以下とするのが好ましく、３以下とするのがより好ましい。また、攪拌しながら浸出することで浸出効率を上げることができる。硫酸浸出後、濾過等の固液分離によって浸出残渣を除去することで浸出後液が得られる。得られた浸出後液は一般にｐＨが５以下であり、典型的にはｐＨが１〜３である。
【００２５】
一実施形態においては、浸出後液は、コバルト、ニッケル及びリチウムの少なくとも１種からなる金属群Ａと、アルミニウム及びマンガンとを含有している。そのような浸出後液は例えば、１０〜３００ｇ／Ｌの硫酸、０．００１〜２０ｇ／Ｌのアルミニウム、０．００１〜３０ｇ／Ｌのマンガン、０．００１〜４０ｇ／Ｌのコバルト、０．００１〜３０ｇ／Ｌのニッケル、０．００１〜３０ｇ／Ｌのリチウムを含有することができる。
【００２６】
当該浸出後液を溶媒抽出することによりアルミニウム及びマンガンを同時に溶媒へ抽出して金属群Ａを除去することができる。すなわち、アルミニウム及びマンガンは溶媒へ移行するが、金属群Ａは浸出後液中に留まることにより、金属群Ａからアルミニウム及びマンガンを分離することができる。
【００２７】
このとき、金属群Ａは大部分が溶媒に抽出されず分離回収されるが、一部は抽出される場合がある。一部抽出されたコバルト、ニッケル及びリチウムは後述する溶媒抽出後の洗浄工程で回収できるためロスにはならない。このように溶媒抽出でアルミニウム及びマンガンを同時に抽出することで、コバルト、ニッケル及びリチウムのロスを抑えつつアルミニウムとマンガンを効率良く回収することができる。
【００２８】
抽出剤としては、限定的ではないが、酸性リン酸エステル系抽出剤が好ましい。また、酸性リン酸エステル系抽出剤の中でも、ビス（２−エチルヘキシル）ホスフェートは、アルミニウムを抽出するためのｐＨ値及びマンガンを抽出するためのｐＨ値が近いため、アルミニウム及びマンガンの同時抽出用の抽出剤として特に好ましい。
【００２９】
溶媒抽出は、上記抽出剤を炭化水素系溶剤で希釈して調整した溶媒と、硫酸酸性溶液とを混合して行うことができる。この抽出剤と炭化水素系溶剤との体積混合比は、抽出剤：炭化水素系溶剤＝１：１〜１：５とするのが好ましく１：３であるのがより好ましい。炭化水素系溶剤としては、芳香族系、パラフィン系、ナフテン系溶剤等が利用可能であり、なかでもナフテン系溶剤がより好ましい。
【００３０】
溶媒抽出の手順は常法に従えばよい。一例を挙げれば、浸出後液（水相）と前記抽出剤（有機相）を接触させ、典型的にはミキサーでこれらを攪拌混合（例：２００〜５００ｒｐｍで５〜３０分）し、金属群Ａのイオンを抽出剤と反応させる。溶媒抽出は、常温（例：１５〜２５℃）〜６０℃以下で実施することができ、有機相の劣化を防止するなどの理由により３５〜４５℃で実施することが好ましい。その後、セトラーにより、混合した有機相と水相を比重差により分離する。溶媒抽出は繰り返し行ってもよく、例えば有機相と水相が向流接触するようにした多段方式とすることもできる。
【００３１】
Ｏ／Ａ比（水相に対する油相の体積比）は、想定する浸出液の金属イオン濃度により変化するため限定的ではないが、経済的な理由により０．１〜５とするのが好ましく、１〜３とするのがより好ましい。
【００３２】
図１に、溶媒抽出時の平衡ｐＨと各元素の抽出率との関係を示す。図１により、マンガン及びアルミニウム抽出時の平衡ｐＨは、２．６〜３．０の範囲に調整するのが好ましいことが分かる。ｐＨ調整剤としては、水酸化ナトリウム、炭酸ナトリウム等を使用することができる。平衡ｐＨが３．０よりも高いと、Ｃｏ及びＮｉの抽出率が上昇して除去効率が低下する傾向にある。また、浸出後液中に含まれるアルミニウムの水酸化物が発生し、装置の配管を詰まらせる場合がある。また、ｐＨが２．６よりも低いとマンガン及びアルミニウムの抽出率が低下してしまい、浸出液からのマンガン及びアルミニウムの抽出分離が十分にできない場合がある。
【００３３】
溶媒抽出後、溶媒中のアルミニウム及びマンガンは、硫酸で逆抽出することでマンガン及びアルミニウムが溶解した硫酸酸性水溶液が得られる。硫酸酸性水溶液中で、マンガンは硫酸マンガン（ＭｎＳＯ4）として、アルミニウムは硫酸アルミニウム（Ａｌ2（ＳＯ4）3）としてそれぞれ存在すると考えられる。逆抽出に使用する硫酸の濃度としては２５〜２００ｇ／Ｌが好ましく、３０〜１００ｇ／Ｌがより好ましい。硫酸濃度が２５ｇ／Ｌ未満であるとマンガンの逆抽出が不十分になる可能性があり、２００ｇ／Ｌ超であるとコストがかかるという問題がある。
【００３４】
溶媒抽出後の溶媒にはマンガン及びアルミニウムの他に除去しきれなかった金属群Ａが含まれている場合がある。そこで、硫酸マンガン水溶液で当該溶媒を洗浄して金属群Ａを更に除去した後に、逆抽出を実施することが純度の高い硫酸マンガンを製造する上では好ましい。使用する硫酸マンガン水溶液は、平衡ｐＨが１．８〜２．０に調整されていることが好ましい。また、硫酸マンガンの濃度は高いほうが硫酸マンガンが析出しやすいため、マンガン濃度で２０ｇ／Ｌ以上とするのが好ましい。この洗浄によって、抽出でアルミニウム及びマンガン以外に溶媒中に移行した金属群Ａを回収する。回収された当該金属を含む洗浄液は、溶媒抽出の抽出前液として戻すことができ、これによりコバルト、ニッケル及びリチウム等の金属のロスを低減できる。
【００３５】
溶媒抽出前に、アルミニウムを中和処理によってアルミニウムを水酸化物として沈澱させ、固液分離することで、部分的に除去しておくこともできる。これにより、後段の加熱濃縮工程においてアルミニウム分離に対する負担を軽減することが出来る。また、浸出後液は更に鉄を含有する場合があり、例えば０．００１〜１０ｇ／Ｌの鉄を含有する場合がある。この場合、溶媒抽出前に鉄を除去しておくことが望ましいが、これも中和沈澱処理によって達成可能である。すなわち、浸出後液から中和処理によってアルミニウムと同時に鉄を水酸化物として沈澱させ、固液分離により除去することができる。
【００３６】
中和剤はアルカリ金属、アルカリ土類金属の水酸化物水溶液又は炭酸化物水溶液であればよく、例えば水酸化ナトリウム、炭酸ナトリウムの水溶液等を用いることができる。
中和沈澱処理によってアルミニウムと同時に鉄も除去することができる。ｐＨが高くなるにつれてアルミニウム及び鉄の除去率が高くなるのでこの段階でアルミニウム及び鉄を高度に除去することも可能であるが、高すぎるとマンガン、コバルト、ニッケル等の他の金属まで損失してしまうことに留意する必要がある。
【００３７】
図２に水酸化ナトリウム水溶液を中和剤とし、ｐＨ値を変化させたときの、中和反応液中の、マンガン、コバルト、ニッケル、アルミニウム及び鉄の中和反応前に対する減少率を示す。図２から中和処理におけるｐＨは３．５〜４．５の範囲に調整することが好ましいことが分かる。つまり、ｐＨが４．５超であるとマンガン、コバルト、ニッケル等の他の金属の減少率、すなわち損失が増えてしまう一方で、ｐＨが３．５未満であると鉄の除去が不十分となる可能性がある。
【００３８】
本発明の一実施形態においては、中和沈澱処理によって９０％以上の鉄及び５０％以下のアルミニウムを除去することができ、典型的な実施形態においては９５％以上の鉄及び１５％以下のアルミニウムを除去することができ、例えば９５〜９９％の鉄及び２〜１５％以下のアルミニウムを除去することができる。
【００３９】
中和処理時の酸化還元電位（銀／塩化銀電極基準）は５００ｍＶ以上が好ましい。５００ｍＶ未満であると、液中の鉄の酸化が不十分で中和処理における鉄の除去が不十分となる。酸化還元電位を５００ｍＶ以上にする方法としては、過酸化水素水を添加する方法や空気を吹き込む方法がある。
【００４０】
このように、中和の際のｐＨ値及び酸化還元電位を規定することで、酸浸出液から鉄を水酸化物として良好に分離・除去しつつ、アルミニウムは一部だけ水酸化物として析出させ、大部分を浸出後液に残すことができる。このため、当該中和工程において濾過性の不良なアルミニウムの水酸化物の除去に費やす時間が短くなり、且つ、中和時の共沈作用によるマンガン及びその他の金属の沈殿も抑制され、その結果、後工程において高い回収率でマンガンを回収することが可能となる。
【００４１】
中和沈澱処理の後、マンガン及び除去しきれなかったアルミニウムを含有する浸出後液に対して、前述した溶媒抽出を実施すればよい。
【００４２】
（工程２）
工程２では、工程１によって得られた硫酸酸性水溶液（逆抽出液）を加熱濃縮することにより、アルミニウムの溶解を維持しながら硫酸マンガンを析出する。硫酸酸性水溶液中に存在するマンガン及びアルミニウムは溶解度が異なるため、これを利用することで、アルミニウムを除去して純度の高い硫酸マンガンを得ることが可能となる。ただし、硫酸酸性水溶液中のアルミニウム濃度が高すぎたり、マンガンの濃度が低すぎたりすると、加熱濃縮時にアルミニウムが析出しやすくなるので、硫酸酸性水溶液中のアルミニウムの濃度は１０ｇ／Ｌ以下とするのが好ましく、０．５ｇ／Ｌ以下とするのがより好ましい。また、硫酸酸性水溶液中のマンガンの濃度は５０ｇ／Ｌ以上とするのが好ましく、８０ｇ／Ｌ以上とするのがより好ましい。
【００４３】
本発明の一実施形態においては、硫酸酸性水溶液（逆抽出液）中のアルミニウムの濃度が０．５ｇ／Ｌ以下（例えば、０．１〜０．５ｇ／Ｌ）であり、マンガンの濃度が５０〜１３０ｇ／Ｌ（例えば、６０〜１００ｇ／Ｌ）である。先述した中和沈澱処理においてアルミニウムの除去を低く抑えた場合、典型的には、硫酸酸性水溶液中のアルミニウムの濃度が０．５〜１０ｇ／Ｌ（例えば、２〜８ｇ／Ｌ）であり、マンガンの濃度が５０〜１３０ｇ／Ｌ（例えば、６０〜１００ｇ／Ｌ）である。
【００４４】
加熱濃縮時の温度としては、濃縮を行う時間を短縮するためには８０℃以上が好ましく、８５℃〜９５℃が更に好ましい。
【００４５】
（工程３）
工程３では、加熱濃縮によって析出した硫酸マンガンを固液分離により回収する。固液分離の方法は限定的ではないが、濾過、デカンテーション等により行えばよく、付着水をできるだけ取り除くためには、濾過がより好ましい。固液分離は、溶解しているアルミニウムが析出しないように、６０℃以上で行うのが好ましく、１００℃を超えることはないが、必要以上に高くすることはなく、７０℃以下とするのが好ましい。工程３によって高純度の硫酸マンガンを得ることができる。回収した硫酸マンガンは、更に水（好ましくは純水）に溶解して飽和溶液とし、再度加熱濃縮により析出及び固液分離することで更に純度を高めることができる。飽和溶液からの濃縮倍率は不純物、例えばアルミニウムやカルシウムの溶解度を考慮して決定すれば良いが、例えば２〜１０倍とすることができ、好ましくは５〜７倍とすることができる。
【実施例】
【００４６】
以下、本発明の実施例を説明するが、実施例は例示目的であって発明が限定されることを意図しない。
【００４７】
（実施例１）
使用済みリチウムイオン電池を解体して正極材を取出し、正極活物質のみを集電体のアルミニウム箔から削り取った。正極活物質をｐＨ０．２の硫酸水溶液１Ｌ中に浸漬し、３００ｒｐｍで３０分間撹拌して金属成分を浸出した。液温は特に加温しなかったが、４０〜５０℃程度であった。浸出中、過酸化水素を徐々に供給して酸化還元電位（ＯＲＰ）を４００〜７００ｍＶ（Ａｇ／ＡｇＣｌ電極基準、以下同じ）に制御した。浸出後の硫酸濃度は４０ｇ／Ｌとなった。硫酸浸出後、濾過によって浸出残渣を除去し、浸出後液を得た。ＩＣＰ発光法で測定したところ、浸出後液中の金属成分の濃度は表１に記載の通りとなった。
【００４８】
【表１】
【００４９】
この浸出後液に、水酸化ナトリウムをｐＨが４．１になるまで添加してアルミニウムを水酸化物として沈澱させ、これらを濾過により除去した。中和沈澱処理によって６４％のアルミニウムが除去された。
【００５０】
中和沈澱処理後の浸出後液と、ビス（２−エチルヘキシル）ホスフェート（ＬＡＮＸＥＳＳ 商品名：Ｄ２ＥＨＰＡ）をナフテン系溶剤（シェルケミカルズ 商品名：ｓｈｅｌｌｓｏｌＤ７０）で２５ｖｏｌ％に希釈調整した溶媒とをＯ／Ａ＝１（体積比）になるように混合して常温で撹拌し、平衡ｐＨ２．８となるように水酸化ナトリウムで調整しながらマンガンの溶媒抽出を行った。
【００５１】
溶媒抽出後、得られた溶媒を２０−４０ｇ／Ｌの濃度の硫酸マンガン水溶液（平衡ｐＨ：１．８）を用いて洗浄した。具体的には両者を２０分間混合撹拌（８００ｒｐｍ）した後、比重差により分離した。洗浄後の溶媒と硫酸溶液（Ｈ2ＳＯ4濃度１００ｇ／Ｌ）５Ｌを常温で２０分間混合撹拌（８００ｒｐｍ）することによりマンガンを逆抽出し、表２に記載の成分を有する逆抽出液を得た。各成分の濃度はＩＣＰ発光法で測定した。
【００５２】
【表２】
【００５３】
得られた逆抽出液を８０〜９５℃で加熱濃縮したところ、逆抽出液中の硫酸マンガンは経時的に表３に記載の濃度変化を示した。それぞれの時点で析出した硫酸マンガンを濾過により一部抜き出したところ、硫酸マンガンは表４に記載の品位を有していた。各成分の濃度は一部を溶解し、ＩＣＰ発光法で測定した。
【００５４】
【表３】
【００５５】
【表４】
【００５６】
ここで、Ｎｏ．２の硫酸マンガン３９０ｇを純水に溶解して９００ｍＬの飽和溶液を作製し、これを３倍に加熱濃縮して３００ｍＬとして硫酸マンガンを再結晶させた。その後、濾過して得られた硫酸マンガンは表５に記載の品位を有していた。参考のため、工業用に市販されている硫酸マンガンの品位も掲載する。市販されている硫酸マンガンと遜色ない品位を有していることが分かる。
【００５７】
【表５】
【００５８】
（実施例２）
例１と同様の浸出後液に、ビス（２−エチルヘキシル）ホスフェート（ＬＡＮＸＥＳＳ 商品名：Ｄ２ＥＨＰＡ）をナフテン系溶剤（シェルケミカルズ 商品名：ｓｈｅｌｌｓｏｌＤ７０）で２５ｖｏｌ％に希釈調整した溶媒とをＯ／Ａ＝４（体積比）になるように混合して常温で撹拌し、平衡ｐＨ２．８となるように水酸化ナトリウムで調整しながらマンガンとアルミニウムの溶媒抽出を行った。
【００５９】
溶媒抽出後、得られた溶媒を２０−４０ｇ／Ｌの濃度の硫酸マンガン水溶液（平衡ｐＨ：１．８）Ｌを用いて洗浄した。具体的には両者を２０分間混合撹拌（８００ｒｐｍ）した後、比重差により分離した。洗浄後の溶媒と硫酸溶液（Ｈ2ＳＯ4濃度１００ｇ／Ｌ）５Ｌを常温で２０分間混合撹拌（８００ｒｐｍ）することによりアルミニウム及びマンガンを逆抽出し、表６に記載の成分を有する逆抽出液を得た。
【００６０】
【表６】
【００６１】
得られた逆抽出液を８５〜９５℃で加熱濃縮したところ、逆抽出液中の硫酸マンガンは経時的に表７に記載の濃度変化を示した。Ｎｏ．５及びＮｏ．６についてはアルミニウムの析出は認められなかったが、加熱濃縮が過剰であったＮｏ．７（比較例）については、アルミニウムの析出が認められた。Ｎｏ．５及びＮｏ．６のそれぞれの時点で析出した硫酸マンガンを濾過により一部抜き出したところ、硫酸マンガンは表８に記載の品位を有していた。表８中、洗浄後というのはＮｏ．５の硫酸マンガン４８０ｗｅｔｇを純水１００ｍＬで２回洗浄した後の硫酸マンガンについての分析値である。洗浄水にはマンガンが含まれるので、洗浄回数は２回が最適であることが分かった。これ以上洗浄を繰り返すと、Ｍｎの純度が低下する傾向が見られた。
【００６２】
【表７】
【００６３】
【表８】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１）アルミニウム及びマンガンを含有する硫酸酸性水溶液を準備する工程と、ここで、当該硫酸酸性水溶液はリチウムイオン電池の正極材を硫酸浸出して得られた浸出後液に対して、溶媒抽出及び硫酸による逆抽出を経て得られた逆抽出液である、
２）当該硫酸酸性水溶液を加熱濃縮することにより、アルミニウムの溶解を維持しながら硫酸マンガンを析出する工程と、
３）固液分離により、析出した硫酸マンガンを回収する工程と、
を含む硫酸マンガンの製造方法。
【請求項２】
前記浸出後液は、コバルト、ニッケル及びリチウムの少なくとも１種からなる金属群Ａと、アルミニウム及びマンガンとを含有しており、前記硫酸酸性水溶液は当該浸出後液を溶媒抽出することによりアルミニウム及びマンガンを同時に溶媒へ抽出して金属群Ａを除去し、次いで硫酸で逆抽出することで得られた逆抽出液である請求項１に記載の硫酸マンガンの製造方法。
【請求項３】
前記浸出後液は、コバルト、ニッケル及びリチウムの少なくとも１種からなる金属群Ａと、アルミニウム及びマンガンと、更に鉄とを含有しており、前記硫酸酸性水溶液は当該浸出後液から中和沈澱処理によって鉄及びアルミニウムを除去した後に、溶媒抽出することによりマンガン及び除去しきれなかったアルミニウムを同時に溶媒へ抽出して金属群Ａを除去し、次いで硫酸で逆抽出することで得られた逆抽出液である請求項１に記載の硫酸マンガンの製造方法。
【請求項４】
前記浸出後液は、コバルト、ニッケル及びリチウムの少なくとも１種からなる金属群Ａと、アルミニウム及びマンガンと、更に鉄とを含有しており、前記硫酸酸性水溶液は当該浸出後液から中和沈澱処理によって９０％以上の鉄及び５０％以下のアルミニウムを除去した後に、溶媒抽出することによりマンガン及び残部のアルミニウムを同時に溶媒へ抽出して金属群Ａを除去し、次いで硫酸で逆抽出することで得られた逆抽出液である請求項１に記載の硫酸マンガンの製造方法。
【請求項５】
前記溶媒抽出後の溶媒にはマンガン及びアルミニウムの他に除去しきれなかった金属群Ａが含まれており、硫酸マンガン水溶液で当該溶媒を洗浄して金属群Ａを更に除去した後に、逆抽出を実施する請求項２又は３に記載の硫酸マンガンの製造方法。
【請求項６】
洗浄に使用する硫酸マンガン水溶液の平衡ｐＨが１．８〜２．０である請求項４に記載の硫酸マンガンの製造方法。
【請求項７】
前記硫酸酸性水溶液中のアルミニウムの濃度が０．５ｇ／Ｌ以下であり、マンガンの濃度が５０〜１３０ｇ／Ｌである請求項１〜５の何れか一項に記載の硫酸マンガンの製造方法。
【請求項８】
前記硫酸酸性水溶液中のアルミニウムの濃度が０．５〜１０ｇ／Ｌであり、マンガンの濃度が５０〜１３０ｇ／Ｌである請求項１〜５の何れか一項に記載の硫酸マンガンの製造方法。
【請求項９】
前記溶媒抽出において、平衡ｐＨ２．６〜３．０で溶媒抽出する請求項１〜７の何れか一項に記載の硫酸マンガンの製造方法。
【請求項１】
１）アルミニウム及びマンガンを含有する硫酸酸性水溶液を準備する工程と、ここで、当該硫酸酸性水溶液はリチウムイオン電池の正極材を硫酸浸出して得られた浸出後液に対して、溶媒抽出及び硫酸による逆抽出を経て得られた逆抽出液である、
２）当該硫酸酸性水溶液を加熱濃縮することにより、アルミニウムの溶解を維持しながら硫酸マンガンを析出する工程と、
３）固液分離により、析出した硫酸マンガンを回収する工程と、
を含む硫酸マンガンの製造方法。
【請求項２】
前記浸出後液は、コバルト、ニッケル及びリチウムの少なくとも１種からなる金属群Ａと、アルミニウム及びマンガンとを含有しており、前記硫酸酸性水溶液は当該浸出後液を溶媒抽出することによりアルミニウム及びマンガンを同時に溶媒へ抽出して金属群Ａを除去し、次いで硫酸で逆抽出することで得られた逆抽出液である請求項１に記載の硫酸マンガンの製造方法。
【請求項３】
前記浸出後液は、コバルト、ニッケル及びリチウムの少なくとも１種からなる金属群Ａと、アルミニウム及びマンガンと、更に鉄とを含有しており、前記硫酸酸性水溶液は当該浸出後液から中和沈澱処理によって鉄及びアルミニウムを除去した後に、溶媒抽出することによりマンガン及び除去しきれなかったアルミニウムを同時に溶媒へ抽出して金属群Ａを除去し、次いで硫酸で逆抽出することで得られた逆抽出液である請求項１に記載の硫酸マンガンの製造方法。
【請求項４】
前記浸出後液は、コバルト、ニッケル及びリチウムの少なくとも１種からなる金属群Ａと、アルミニウム及びマンガンと、更に鉄とを含有しており、前記硫酸酸性水溶液は当該浸出後液から中和沈澱処理によって９０％以上の鉄及び５０％以下のアルミニウムを除去した後に、溶媒抽出することによりマンガン及び残部のアルミニウムを同時に溶媒へ抽出して金属群Ａを除去し、次いで硫酸で逆抽出することで得られた逆抽出液である請求項１に記載の硫酸マンガンの製造方法。
【請求項５】
前記溶媒抽出後の溶媒にはマンガン及びアルミニウムの他に除去しきれなかった金属群Ａが含まれており、硫酸マンガン水溶液で当該溶媒を洗浄して金属群Ａを更に除去した後に、逆抽出を実施する請求項２又は３に記載の硫酸マンガンの製造方法。
【請求項６】
洗浄に使用する硫酸マンガン水溶液の平衡ｐＨが１．８〜２．０である請求項４に記載の硫酸マンガンの製造方法。
【請求項７】
前記硫酸酸性水溶液中のアルミニウムの濃度が０．５ｇ／Ｌ以下であり、マンガンの濃度が５０〜１３０ｇ／Ｌである請求項１〜５の何れか一項に記載の硫酸マンガンの製造方法。
【請求項８】
前記硫酸酸性水溶液中のアルミニウムの濃度が０．５〜１０ｇ／Ｌであり、マンガンの濃度が５０〜１３０ｇ／Ｌである請求項１〜５の何れか一項に記載の硫酸マンガンの製造方法。
【請求項９】
前記溶媒抽出において、平衡ｐＨ２．６〜３．０で溶媒抽出する請求項１〜７の何れか一項に記載の硫酸マンガンの製造方法。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１３−１１２８５９（Ｐ２０１３−１１２８５９Ａ）
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２６０６６６（Ｐ２０１１−２６０６６６）
【出願日】平成２３年１１月２９日（２０１１．１１．２９）
【出願人】（５０２３６２７５８）ＪＸ日鉱日石金属株式会社 (482)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月２９日（２０１１．１１．２９）
【出願人】（５０２３６２７５８）ＪＸ日鉱日石金属株式会社 (482)
【Ｆターム（参考）】
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