アルゼンチンの塩湖（塩原）に作られたかん水型鉱床施設 (Image © ERAMET)
今日、自動車メーカーでは、今後数十年間で電気自動車（EV）の生産量を劇的に増加させることが課題となっています。それに伴い、EVに欠かせないバッテリーの生産量を増やす必要があります。バッテリーの重要な原材料であるリチウムの需要は、世界全体で毎年15%～25%増大すると予想されており、2018年の3倍の60万トンが2025年までに必要になると見込まれています1。
リチウムを取り巻く難題
リチウムイオン電池は、現代における一般的なエネルギー貯蔵技術として広まっており、スマートフォンやタブレット、ノートパソコン、デジタルカメラ、さらにはお掃除ロボットなどのコードレス家電製品の電力供給に活用されています。リチウムは元素周期表の金属の中で最軽量であり、電気化学的な観点からポテンシャルが最も高いため、バッテリーとして使うには最適な元素です。しかし、リチウムの採掘には高い経済的・環境的コストがかかります。鉱業業界では、環境に及ぼす影響を低く抑え、安全性を最大限に確保しながらも、顧客のニーズにあわせてより多くのリチウムを低コストで生産することが求められています。
リチウムを作る「水」の問題
商用リチウムの主な産出源は2種類あります。塩湖の水が太陽による熱などで干上がって形成されるかん水型の鉱床と、鉱石などが蓄積されてできた鉱床です。大半の塩湖は南米大陸の南西部や中国、チベットにあり、リチウムイオン電池の原料となる炭酸リチウム資源の約66%はこれらの塩湖から産出されています。
リチウムを抽出するには、まず地下を掘削し、塩水を地表に汲み上げて広大な塩湖を作り、数か月または数年かけて天日干しで湖水を蒸発させます。水が蒸発すると、銀色のリチウムのほか、カリウムやナトリウムなどの高濃度の鉱物が残ります。これらの残留物は、抽出処理のためにリチウム回収施設にポンプで送られます。リチウム回収段階では、一連のプロセスでリチウムが前処理され、バッテリーとして使える品質になるまで精製されます。処理が完了すると、残った塩水溶液は地下の貯水池に戻されます。
しかし、このプロセスには規制当局や環境団体から懸念の声があがっています。チリ政府は最近、環境への影響を懸念して、鉱業業界大手のAlbemarleとSQMに対して、拡張計画を棚上げするように圧力をかけたのです。
エネルギー産業に対するテクノロジーソリューションとコンサルティングサービスを提供する米コンサルティング会社Nexantでエネルギー／化学産業アナリストを務めるDaniel Saxton氏（英国）は、リチウム生産をめぐる懸念について、「一連のプロセスで水が大量消費されていることが問題視されており、土着の野生生物や市民のもとに十分な水が供給できなくなります」と指摘しています。また、「このような問題から、現在では『直接抽出』と呼ばれるプロセスが主流となっています。直接抽出では、天日で乾燥させる手順を取り除き、水の使用量を減らす技術を活用しています」とSaxton氏は述べています。
新規参入企業に見る科学的アプローチ
リチウムの抽出と加工に関して新技術を開発するため、現在Eramet、Rosatom、Adionics、Lilac Solutions、Bacanora、POSCO、Tenova Bateman、K-UTECなど、多くの企業やスタートアップがしのぎを削っています。これらの企業では、新しい抽出プロセスの開発やテスト、最適化および実装において、デジタル化、自動化、およびコンピュータ・シミュレーションを採用しています。
例えば、フランスの資源大手であり、世界最大級のニッケル・マンガン生産企業として知られるErametは、2019年にアルゼンチン北西部のアンデス山脈にあるセンテナリオ・ラトネス塩湖で、リチウム加工施設の商業開発を開始しています。商業プラントの建設は2021年半ばに完了の予定です。（訳注：現在は新型コロナウイルスの感染リスクの影響を受け、同開発プロジェクトを停止しています）
Erametのリチウム事業担当上級副社長のHervé Montegu氏は、次のように述べています。「3Dモデリングは、鉱床の資源評価に加え、工学研究段階の産業プラント設計にも集中的に使用されています。リチウムを直接抽出する工程のために開発されたプロセス・シミュレーション・ツールにより、プロセス効率を最適化する最良のパラメータを迅速に特定できるようになりました」
このプロセス・シミュレーション・ツールの活用により、良好な初期効果が得られています。Erametは、IFP Énergies Nouvelles（フランス石油研究所)と産業プロセスエンジニアリング・コンサルティング企業のSeprosysと共同で「2段階直接抽出プロセス」を開発しました。このプロセスでは、標準的な蒸発法の下で18か月かけて回収率50%にとどまっていたところを、わずか数日の処理で回収率85%を達成しています。また、水のリサイクル率を従来比60％も改善し、水の使用量削減も実現しました。
進化するバッテリーの技術
抽出プロセスの改善以外にも、研究者は炭酸リチウムに代わる、より持続可能な原材料の開発にも取り組んでいます。Saxton氏は「開発の焦点は、リチウムの原料となる炭酸リチウムの生産よりも、車載電池用の化学的性質として好ましい水酸化リチウムの生産に置かれています」と述べています。水酸化リチウムは、現在開発が進む新しいバッテリーに欠かせない正極材に適しています。しかし、水酸化リチウムの抽出には炭酸塩を加えて不純物をろ過するなど複雑なプロセスが必要となり、価格が割高となる側面もあります。
先述のMontegu氏によると、現在、Erametに加え、Lepidico、Nemaska、Rosatomなどの各社が、新しいバッテリー設計のための水酸化リチウムの生産に取り組んでいます。同氏は「電池産業はエネルギー転換の柱である」と述べており、リチウムイオン電池のリサイクルの増加も、将来のリチウム供給戦略の重要な要素になると指摘しています。
ダッソー・システムズのエネルギー・資源産業向けのソリューションの詳細は、以下のリンクでご確認いただけます。
https://ifwe.3ds.com/ja/energy-materials
本記事はダッソー・システムズのCompass magazine（オンライン）からの抄訳です。オリジナル記事（英文）はこちら
1:S&P Globalから引用。リチウムの統計で用いられる炭酸リチウム換算量(LCE)に換算した場合の数値。