電池リサイクルの未来: リチウムイオン電池の湿式冶金技術の特許分析

リチウムイオン電池（LIB）は、1990年代にソニーによって商品化されて以来、エネルギー貯蔵の中心的な技術となっています。

リチウムイオン電池は 6 つの主要コンポーネントで構成されており、リサイクル プロセス中にすべて回収する必要があります (図 1 を参照)。アノードとカソードは電気化学的に活性な材料であり、セパレーターは 2 つの電極を電気的に分離します。

バッテリーの専門家は、1991 年にソニーが初めて LCO バッテリーを開発して以来、次々に進化してきた技術の世代を定義しています。

• 第 1 世代 (2010 年以前) : LCO カソード – グラファイト アノード。
• 第 2 世代 (2010 ～ 2020 年) : NCA/NMC 111 カソード – グラファイト アノード。
• 第 3 世代 (2020 年以降) : 低コバルトカソード (NMC622-NMC811) - シリコン強化アノード。
• 第 4 世代 (2030 年?) : 全固体リチウム金属電池 - コバルトフリー酸化物。

使用済み電池のリサイクルは、環境への影響を減らすことを目指すだけでなく、電子廃棄物から貴重な部品を回収することにも重点を置いています。

2040 年までに、欧州連合内でバッテリー製造に使用されるコバルトの 51%、ニッケルの 42%、マンガンの 23% がリサイクルによって供給されると予測されています。ただし、二次資源から得られるリチウムはわずか 9% と予想されています。

LIB 生産の増加と使用済みバッテリーの管理の課題に対応して、いくつかのリサイクル技術が開発されました。

主な 3 つのアプローチは、乾式冶金法、湿式冶金法、直接リサイクルです。

湿式冶金技術では、LIB をリサイクルする際に酸性溶液を使用してリチウム、コバルト、ニッケルなどの貴重な金属を抽出します。このプロセスでは、使用済みバッテリーを粉砕し、酸 (H₂SO₄ または HCl など) と還元剤で金属を溶解することで、熱処理法に比べて高純度の回収と優れた選択性を実現します。

イノベーションの面では、データ分析や機械学習などの先進技術を統合することで、プロセスをより環境に優しく自動化することを目指すコンセプト「Hydro 4.0」の開発に注力しています。

• イノベーション

企業や研究機関は、さまざまなバッテリー化学物質（LFP、NMC、LCO など）を処理できる特許取得済みの湿式冶金リサイクル技術に投資しており、それによってプロセスの柔軟性を確保しています。

• 1. 電気透析の統合: マラガ大学の研究者は、湿式冶金リサイクルプロセスに電気透析を使用することを提案しました。このアプローチは、使用済みバッテリーからの貴重な金属の分離と回収を改善することを目的としています。これは、環境への影響を軽減しながら資源回収を最適化することで、循環型経済のロジックと一致しています。ただし、特にエネルギー消費とシステムの最適化に関して、課題が残っています。
• 2. 選択浸出技術:選択浸出の革新は、試薬の使用と廃棄物の発生を減らしながら金属抽出を最大化することを目指しています。これらのプロセスは、重要な金属を高効率でターゲットとし、リサイクルを経済的に実行可能かつ持続可能なものにすることを目指しています。課題は、使用する化学物質と反応条件を最適化することで、経済的なパフォーマンスと環境への影響の低減を両立させることです。
• 3. 生分解性酸浸出による湿式冶金リサイクル:このイノベーションは、アスコルビン酸やクエン酸などの生分解性酸を使用した混合浸出システムを採用し、使用済みバッテリーから金属を抽出します。Fatimaら (2024) が提案した、非毒性で環境に配慮した試薬の使用です。
  

これら 3 つのリサイクル技術は、いずれもリチウムイオン電池を持続的に管理する上で重要な役割を果たします。乾式冶金は大規模な処理には効果的ですが、環境への影響は大きくなります。直接リサイクルは、特に電池の標準化が進むにつれて、環境への影響をさらに減らすことができます。電池の需要が拡大し続ける中、将来のハイブリッド プロセスは、規制の厳格化とともに、イノベーションを促進し、循環型経済を支えるものとなるでしょう。湿式冶金は、効率と持続可能性に優れたバランスの取れたアプローチを提供するため、EV 電池にとって最も有望な方法ですが、化学廃棄物の慎重な管理が必要です。そのため、以下の特許ランドスケープ分析では、この技術に焦点を当てています。

特許ランドスケープ分析は、技術の将来を予測するのに役立つなど、イノベーションに関する貴重な洞察を提供します。このパートでは、湿式冶金によるリチウムイオン電池リサイクルのイノベーションに関する特許ランドスケープ分析から、この革新的なソリューションの背後にある主要な業界プレーヤーや主要な研究開発 (R&D) 市場など、この技術の次世代について何がわかるかを共有します。

この技術におけるイノベーションと研究開発活動を理解するために、当社独自のIP インテリジェンス ソフトウェアを使用してマクロ検索を実行しました。IP IPコンサルティングサービスの専門知識を使用して収集された特許を分析することで、この分野の研究の進歩と投資に関する魅力的なグローバルな洞察を作成することができました。

合計で、データベースは過去 20 年間に出願された 2,958 件の特許ファミリーで構成されています。特許出願動向を見ると、2004 年から 2024 年にかけて湿式冶金法によるリチウムイオン電池リサイクルに関連する特許活動が大幅に増加し、2017 年から急増していることがわかります。

初期の特許出願件数は比較的少なかったものの、2017年からは大幅な増加が見られました。2020年までに、特許取得件数は190件でピークに達し、2017年に取得された78件から144%増加しました。同様に、出願中の特許件数も2017年のわずか4件から2021年には127件へと大幅に増加し、指数関数的な成長を示しています（以下を参照）。

この急増は、電気自動車、家電製品、エネルギー貯蔵の需要の高まりと、グリーン移行のためにバッテリー廃棄物を管理し、主にリチウム、コバルト、ニッケルなどの材料を回収するための持続可能なリサイクルへの重点によって推進されています。

当社の特許状況分析により、リチウムイオン電池の湿式冶金リサイクル分野における主要プレーヤーが明らかになりました。

• 住友金属鉱山株式会社は、日本の大手鉱山・製錬会社で、79件の特許と21件の出願中の特許を保有しており、この分野での強固な知的財産ポートフォリオを反映しています。同社は、リチウム、コバルト、ニッケルなどの貴重な金属を効率的に回収する環境に優しいプロセスに焦点を当て、LIBの湿式冶金リサイクルで大きな進歩を遂げてきました。 強化された溶媒抽出法などの革新は、環境への影響を最小限に抑えながら金属回収の効率を高め、バッテリーリサイクルへの持続可能なアプローチを促進することを目的としています。
• 湖南ブルンプリサイクルテクノロジーと広東ブルンプリサイクルテクノロジーは、どちらも中国の大手バッテリーメーカーCATL（Contemporary Amperex Technology Co., Ltd.）の子会社で、LIBのリサイクルを専門としています。湖南ブルンプは使用済みバッテリーの解体と湿式冶金処理に特化し、広東ブルンプは主要金属の回収に注力しています。それぞれ45件と44件の特許を取得し、47件の特許を申請中である両社は、リサイクル技術を進歩させ、LIBの循環型経済におけるリーダーシップに対する中国の取り組みを強化しています。期限切れの特許の数が限られていることから、両社のイノベーションは、急速に進化するバッテリーリサイクル部門において依然として非常に重要であり、最前線にあることがわかります。
• 中南大学と中国科学院プロセス工学研究所は、 35件の特許を取得し、中南大学が31件の特許を申請中、プロセス工学研究所が25件の特許を取得するなど、多大な貢献をしている主要な学術機関です。これらの貢献は、特に中国において、持続可能なリサイクル技術の革新における研究機関の重要性を強調しています。
• BASFは世界最大の化学会社の一つで、27 件の特許を出願中、7 件の特許を取得しており、ヨーロッパの重要なプレーヤーです。BASF は、 Iveco GroupやStena Recyclingなどの業界リーダーと連携し、資源効率と持続可能性を優先しながら電気自動車のバッテリーリサイクルプロセスを推進しています。一方、北米でのNanotech Energyとの提携は、リサイクル材料を取り入れたリチウムイオン電池を生産することで CO2 排出量を削減することに重点を置いています。学術機関との継続的な連携を通じて、BASF は電池材料の革新を推進し続け、エネルギー貯蔵における持続可能なソリューションへの取り組みを強化しています。
• JX金属（取得済み特許58件、申請中特許4件、期限切れ特許11件）とリサイクルに注力する子会社JX金属サーキュラーソリューションズ（取得済み特許27件）は、リチウムイオン電池からの高度な金属回収とリサイクルにおける日本の技術的リーダーシップを示しています。これらのイノベーションは、取得済み特許10件を保有する三菱マテリアルとの提携によって強化され、電子機器および自動車廃棄物のクローズドループリサイクルソリューションを提供し、リサイクル材料の安定供給を確保するとともに、循環型経済への日本の取り組みと電池および電子機器業界における世界的な脱炭素化目標をサポートすることを目指しています。
• 原子力・代替エネルギー委員会 (CEA) は、 14 件の特許取得済みと 4 件の出願中の特許という中程度のポートフォリオを保有しています。この重点は、持続可能な技術を推進し、フランスの循環型経済の目標に貢献するというフランスの公的研究機関としての使命と一致しています。リチウムイオン電池に関しては、CEA はリチウム、コバルト、マンガン、ニッケルの処理とリサイクルに重点を置いています。

優先国出願は、研究開発 (R&D) が行われる国で最も頻繁に行われるため、このデータを見ると、どの国が最も革新的で、どの国が自国の発明を保護しようとしているかがわかります。

リチウムイオン電池をリサイクルする湿式冶金技術に関する特許の地理的分布を見ると、活動の大部分が中国に集中していることがわかります。

• 中国（CN）は、特に2016年以降、長年にわたって特許出願が大幅に増加しており、2023年が未完了であるにもかかわらず、すでに473件の特許ファミリーのピークに達しています。この傾向は、大規模なバッテリー生産と消費に牽引され、中国がLIBリサイクルに重点的に取り組んでいることを浮き彫りにしています。特許出願におけるこのようなリーダーシップは、世界のバッテリーサプライチェーンにおける中国の優位性と、リサイクル技術への重点の高まりを反映しています。
  
• 日本（JP）では特許出願が着実に増加しており、2018年から2021年の間にピークを迎えます。この傾向は、国内供給が限られていることから、日本がリサイクルを通じてリチウムやコバルトなどの資源を確保することに重点を置いていることを反映しています。リサイクル技術の革新に対する日本の取り組みは、資源の安全保障と環境の持続可能性に関する戦略的目標と一致しています。
  
• 世界機構 (WO) の特許出願は徐々に増加しており、2020～2023 年頃にピークを迎えます。この傾向は、この分野に対する国際的な関心の高まりと活発なイノベーションを示しています。
  
• 米国（US）、韓国（KR）、欧州（EP）では、特許出願が緩やかながらも着実に増加しており、世界のバッテリーリサイクル業界におけるこれらの国の役割が浮き彫りになっています。米国と韓国では出願が一貫しており、2020～2022年頃にピークを迎えます。ヒートマップでは、2010年以降、出願が上昇傾向にあり、2018～2022年には急成長を遂げており、これは電気自動車、電子機器、再生可能エネルギーにおけるLIBの需要の高まりと、持続可能な廃棄ソリューションの必要性によるものです。

• 中国は1,800件を超える特許ファミリーで大きくリードしており、そのうち712件が付与され、730件が申請中であり、この分野における中国の優位性と取り組みを示しています。
  
  これは、中国の持続可能性への取り組みと一致しており、2023年のEV生産台数が930万台（世界生産台数の65％）、販売台数が840万台（世界販売台数の59％）、そのうち約90％が2023年国内販売台数となることに反映されています（出典）。EVの生産と消費の規模により、中国はLIBリサイクルの主要市場としての地位を確立し、環境に優しく効率的な金属回収方法の進歩を促進しています。
  
• 日本は、 240件の特許を取得し、92件の出願を保留するなど、活発な活動を示しています。LIBリサイクルにおけるイノベーションに対する日本の取り組みは明らかであり、持続可能なバッテリー管理の進歩に向けた強力なパイプラインを示しています。
  
• 米国は積極的なアプローチを示しており、59件の特許が付与され、117件の特許が申請中です。米国の取り組みは、リサイクルプロセスの改良、金属抽出用の深共晶溶媒などの新しい方法の探求、増加する電池廃棄物に対処するためのスケーラブルなソリューションの開発に重点を置いています。そのようなイノベーションの1つが、Aqua Metalsの特許で保護されたAquaRefining™プロセスです。これは当初鉛のリサイクルに適用され、現在はリチウムイオン電池の処理に拡大されています。常温の水を使用するこの方法は、汚染物質の排出を減らし、金属を効率的に回収できます。しかし、環境上の利点があるにもかかわらず、この特許で保護された技術の大規模な商業化は依然として課題となっています。
  
• 韓国（KR）は、資源回収とグリーンテクノロジーに戦略的に重点を置いたことを反映して、特許取得件数が 124 件、出願中の特許が 57 件と、特許活動が盛んです。政府支援による研究開発と産学連携は、リサイクル効率を高め、輸入原材料への依存を減らすことを目指しています。
  
• 欧州（EP）では、 14件の特許が付与され、56件の特許が申請中であり、バッテリーリサイクル用の湿式冶金技術に関する特許活動が著しく増加しています。この傾向は、持続可能な技術を促進し、電子廃棄物を削減するEUの政策と一致しており、湿式冶金リサイクルは、環境的および経済的理由の両方で欧州全体の優先事項となっています。
  
• インドなどの他の国では、特許の数が少なく、この分野への関心が高まっている、またはニッチな分野であることを示していると考えられます。

バッテリーリサイクルのための湿式冶金技術は、リチウムイオンバッテリーの持続可能な管理における有望な道筋を示しています。このアプローチでは、化学プロセスを使用してリチウム、コバルト、ニッケルなどの貴重な金属を回収することで、高純度の材料を効率的に回収できます。これは、電気自動車、家庭用電化製品、再生可能エネルギー貯蔵システムによって促進される需要の高まりに対応するために不可欠です。

湿式冶金リサイクルに関する特許活動の急増は、革新的でコスト効率の高いソリューションの開発に対する世界的な注目の高まりを浮き彫りにしています。中国や日本などの国々は、リサイクルを通じて重要な原材料を確保するという野心的な規制と戦略目標を掲げ、その先頭に立っています。業界の主要企業や研究機関は、効率性を高め、環境への影響を減らすために、選択浸出や先進技術の統合などの新しい技術を積極的に研究しています。

最近の傾向では、産業界と学界の共同作業への関心が高まっていることも示されており、バッテリー廃棄物の課題に対処するための継続的なイノベーションの重要性が強調されています。自動化と環境に優しいプロセスの進歩により、バッテリーリサイクルの未来は明るいように見えます。規制の枠組みが世界的に強化され、循環型経済の原則がサポートされるにつれて、湿式冶金リサイクルは、鉱業への依存を減らし、より持続可能なエネルギー環境を作り出す上で重要な役割を果たす可能性があります。

特許ランドスケープ分析は、湿式冶金 LIB リサイクルのこの分析が期待しているように、研究とイノベーションの傾向および市場に関する貴重な洞察を提供します。この分野の特許活動の詳細、またはその他のトピックに関する具体的なアドバイスやサポートについては、 Questel IPコンサルティングチームにお問い合わせください。