電池材料再資源化と鉄鋼脱リン効率化に向けた熱力学～リン酸の安定性は制御可能か？

リンは鉄鋼の不純物として除去される一方、肥料や電池材料として再資源化が期待される元素である。鉄鋼精錬スラグは塩基性酸化物-酸性酸化物-FeO系であるが、リチウムイオン電池正極材料LiFePO4も同様の塩基性酸化物Li2O-酸性酸化物P2O5-FeO系と言える。リン酸の分離と安定化の制御を目的に、テーマ1「電池材料リサイクルに向けたリン酸の分離」、テーマ2「LiFePO4リサイクルに係る熱力学データベースの構築」、テーマ3「精錬スラグ中のリン酸の安定化」、テーマ4「リン酸を含有する酸化物相の溶体モデルの構築」に取り組んでいる。テーマ1では、LiFePO4に添加物を混合して加熱し、生成物を水に溶解してLiの回収率を測定・比較した。LiFePO4にK2CO3とCをモル比1:1:1で添加してAr雰囲気で1173Kに加熱すると、Feを還元分離できた。生成物はリン酸塩(K,Li)3PO4と考えられ、水への溶解度を考慮すると、Li回収率は59%まで向上した（前年度最高値は24%）。テーマ2はLi回収反応の解析に必要な熱力学データの測定を目的とする。液体合金としてSn-P系を考え、P2O5活量が既知の酸化物相と共存させてPの活量係数を求めた。テーマ3では、Ca2SiO4-Ca3P2O8固溶体中のFeO活量を測定した（前年度はP2O5活量）。H2/H2O分圧比が一定の条件下で酸化物相と液体Cu-Fe合金を平衡させ、合金中のFe濃度からFeO活量を算出した。CaSiO3と共存する固溶体へのFeO溶解度は大きいが、活量はCaO共存時より大きく低下した。テーマ4では、FeOが溶解したCa2SiO4-Ca3P2O8固溶体に対する溶体モデルを作成した。(SiO4)4-と(PO4)3-のアニオン同士、Ca2+とFe2+のカチオン同士が置換し合うと考え、本モデルによりテーマ3の測定値を再現できた。

リンは鉄鋼の不純物として除去される一方、肥料や電池材料として再資源化が期待される元素である。鉄鋼精錬スラグは塩基性酸化物-酸性酸化物-FeO系であるが、リチウムイオン電池正極材料LiFePO4も同様の塩基性酸化物Li2O-酸性酸化物P2O5-FeO系と言える。リン酸の分離と安定化の制御を目的に、テーマ1「電池材料リサイクルに向けたリン酸の分離」、テーマ2「LiFePO4リサイクルに係る熱力学データベースの構築」、テーマ3「精錬スラグ中のリン酸の安定化」、テーマ4「リン酸を含有する酸化物相の溶体モデルの構築」に取り組んでいる。テーマ1では、LiFePO4に添加物を混合して加熱し、生成物を水に溶解してLiの回収率を測定・比較した。LiFePO4にK2CO3とCをモル比1:1:1で添加してAr雰囲気で1173Kに加熱すると、Feを還元分離できた。生成物はリン酸塩(K,Li)3PO4と考えられ、水への溶解度を考慮すると、Li回収率は59%まで向上した（前年度最高値は24%）。テーマ2はLi回収反応の解析に必要な熱力学データの測定を目的とする。液体合金としてSn-P系を考え、P2O5活量が既知の酸化物相と共存させてPの活量係数を求めた。テーマ3では、Ca2SiO4-Ca3P2O8固溶体中のFeO活量を測定した（前年度はP2O5活量）。H2/H2O分圧比が一定の条件下で酸化物相と液体Cu-Fe合金を平衡させ、合金中のFe濃度からFeO活量を算出した。CaSiO3と共存する固溶体へのFeO溶解度は大きいが、活量はCaO共存時より大きく低下した。テーマ4では、FeOが溶解したCa2SiO4-Ca3P2O8固溶体に対する溶体モデルを作成した。(SiO4)4-と(PO4)3-のアニオン同士、Ca2+とFe2+のカチオン同士が置換し合うと考え、本モデルによりテーマ3の測定値を再現できた。