科學研究 - 以資源循環型社會爲目標開發新技術，實施低負荷低成本的完全分離

爲實施碳中和，隨着二次電池和電動車（EV）的導入，由鋰離子電池（LIB）以及複材等製成的汽車將佔據市場，對稀有金屬等特定資源的需求也將升高。屆時，能夠高效率實施資源循環的技術將愈發重要。早稻田大學理工學術院的所千晴教授，目前正在嘗試開發一種分離技術，以便能夠以低負荷、低成本的方式從廢棄的複材製品分離出有用的資源，實施再利用。

所千晴
早稻田大學理工學術院教授/東京大學研究生院工學系研究科教授
2019年起擔任未來社會創造事業研究開發代表

開發新型電脈衝法
推動應用於循環經濟

將鋰離子電池的正極材料活性材料用粘合劑粘附在鋁集電箔的兩面，並對其瞬間施以高電壓，隨着「啪」的一聲巨響，漆黑的粒子脫落。這種分離就是利用「新型電脈衝法」技術來實施的。變成黑色粒子的正極材料活性材料，是元素鎳（Ni）和鈷（Co）等的氧化物，可以循環再利用。

推進此項研究的是早稻田大學的所千晴教授。目前的回收方式是對廢棄物進行壓碎、粉碎和分揀，再透過化學處理提取出金等昂貴物質進行再利用。然而，這種方式只有那些經濟價值高的元素才能實施資源循環。「所以需要能以更高精度分離的創新技術」所千晴教授談到開引擎時如是說。

所千晴教授的目標是推動循環經濟（Circular Economy）的隊形變換（圖1），也就是說，在「Reuse」、「Reduce」、「Recycle」的3R基礎上，透過將廢棄物作爲原料進行再利用，實施使資源能夠循環利用的經濟模式。此舉能夠將以往一次性使用天然資源然後排放廢棄物的做法，變排放爲處理，徹底利用物品的價值。

圖1 所千晴教授從事的未來社會創造事業研究藍圖
着眼於構築新的資源循環流程，在未來社會創造事業中挑戰開發分離技術。

目前，LIB也沒有合適的分離技術來實施循環。要提取正極材料活性材料，要麼在焚燒、粉碎後進行物理可用能分揀，要麼將其解體、清洗後進行粉碎。無論哪種方式，對環境負荷都很大，成本也比較高（圖2）。對此，所千晴教授的目標重在回收之後的道路變革——經由全新的物理分離，明確分離木材料、部件的基本流程。推進實施這一目標的技術，正是本文開篇介紹的新型電脈衝法。

圖2 LIB 正極材料的選擇性分離
爲了對LIB進行再生利用，必須將正極活性材料從Al箔中分離出來，但此前的機械、電氣技術只能將正極活性材料與Al箔製成混合粉末後，透過化學精製方法回收有用元素，很難做到材料的分離。

現行的分離技術大體上分爲作業性和選擇性兩個方向。使用機械進行壓碎、粉碎，雖然作業效率高，但缺乏只挑出必要物品的選擇性；相反，人工篩選的作業選擇性高，但效率低。處於兩者之間的是傳統的電脈衝法，將工件夾在固定在水中的電極之間，通過放電產生衝擊波，選擇性地破壞界面。而新型電脈衝法則是一種提高傳統電脈衝法的作業性和選擇性的手法，同時抑制二氧化碳（CO2）的排放量也是其創新之處。

在推進研發的程序中，所千晴教授還利用了JST未來社會創造事業支援專案。所千晴教授的研究被重點公開徵集的「實施新型資源循環再利用的流程革新」課題所採納，並由此起動了「透過產品生命週期管理和革新性分離技術的開發，構建綜合循環生產系統」研究專案，從2017年11月開始探索加速型研究，2019年開始社會實際應用的正式研究。

棘手的多材料化
注重易於分解的設計

所千晴教授認爲，產品製造方也應該認識到資源循環是一個重要的課題，該專案或許可以成爲企業轉變設計理念的契機，因此決定申請JST未來社會創造事業。「在當今產業界追求高功能、低成本的潮流中，產品不斷多材料化。由於多材料產物分離程序中所需的能源和成本增加，因此循環利用變得困難」。現有工序不斷朝着多材料化方向隊形變換，從環境和經濟兩個角度考慮其實並不樂見。

另一方面，所千晴教授也感受到了企業伴隨時代的改變而在態度上出現的變化。「在達成SDGs目標、實施碳中和、構建循環經濟的時代要求下，企業方面也開始萌生資源循環的意識。開始認識到製造易於分解的產品的重要性」。這種意識的變化還體現在「逆向製造」這個詞上。也即在考慮了產品的「回收、分解、篩選和再利用」一系列流程之後，再進行產品設計和製造。這正是所千晴教授希望實施的「易於分解的設計和製造流程」。企業方面，不僅要以「環境」和「經濟」爲主軸進行判斷，還要從「社會」的判斷角度，來考慮生產活動。

這不僅僅是單純的處理方面的技術開發，還希望能夠促進企業方面的設計、製造理念的重新審視和新的資源循環迴路的創造。不僅是全國各地的大學，大型企業參與的研究體制也展示出了這種姿態。爲了實施這一目標，有必要從技術以外的角度進行評價。「類比和評估採用新技術的流程，與能夠進行評估的系統專家合作，我們在這兩點上始終沒有讓步」，所千晴教授表明了關於體制構建方面的堅持。

透過反複試錯實施精細控制
闡明機制遭遇一連串的難題

在資源循環的技術開發方面，所千晴教授重視的是「環境」、「經濟」和「社會」三方面。能夠抑制環境負荷、提高經濟效益、滿足不同時代社會需求的技術，才是今後構建循環型社會所不可或缺的。所千晴教授強調：「如果擁有能夠實施環境、經濟和社會和諧的分離技術，就有可能從現在廢棄的材料中提取出高性能的素材來」。

那麼，所千晴教授是如何實施新型電脈衝法的呢？她在研究開始的時候就考慮到了社會課題。針對LIB等資源循環上遇到難題的產品，探索以高效率提取必要資源的方法。結果，研究人員想到了透過給物件施加高電壓、衝擊、加熱、反應等使其發生各種變化，最終實施分離的電脈衝。由於是瞬間高電壓，因此消耗的能源較少（圖3）。

圖3傳統電脈衝法
在數十億分之一秒到0.1秒的短時間内，透過向物體施加幾千兆瓦到幾百千兆瓦的大功率產生絕緣破壞、電漿化、通電等，透過衝擊波、高溫化、相變、爆炸等促使分離。透過以目的爲導向進行精確控制，能夠高效率、低能耗地物理分離多種物質。

然而，傳統電脈衝法主要使用衝擊波，因此分離精度較低。以LIB爲例，在Al箔與正極材料活性材料的界面上，很難將兩者完全分離。爲了實施更精細的分離，放電路徑、電流和電壓波形、電壓的施加頻率等也需要比傳統方法進行更精細的控制。換句話說，如果不依賴衝擊也能活用其他現象的話，在選擇性較高的界面上實施分離也是可行的。

作爲適用條件，分離的物件必須像Al箔和正極材料活性材料那樣導電，而且必須具有不同的電氣性質。另一方面，比以往方法更有優勢的是，不僅可以在水中實施，還可以在空氣中實施。經過反複試錯，終於在實驗室層面證實了新型電脈衝法的可行性（圖4、5）。「理論上明確了精確控制運行條件，就會產生界面分離。很幸運能在研究早期就發現了這一現象。」所千晴教授回憶道。

圖4新型電脈衝法的材料分離實驗裝置
讓電流透過裝置深處的放電夾具，控制產生的衝擊波和爆炸，實施精密的材料分離。

圖5基於新型電脈衝法的材料分離
新型電脈衝法透過精細控制放電路徑，實施了高選擇性、高效率的部件和材料分離。

然而，接下來卻是難題接踵而至。首先，如何從科學角度解釋在眼前發生的正極材料活性材料脫落現象，成了一道難題。因此，在正式研究中，導入了闡明機制不可或缺的分析儀器，用高速攝影機和熱成像攝影機拍攝剝離現象等程序。此時研究人員發現，通電產生的焦耳熱分解了界面上的粘合劑，電磁場的勞侖茲力使Al箔膨脹，從而促進了剝離。

原本以爲由此便可順利地闡明其中的機制，但之後又遇到了對於各種類型不同的LIB，剝離現象並不穩定的壁壘。對此所千晴教授表示：「爲了使任何LIB都能再現剝離現象，我們打算先做假說，經過反復實驗，透過對實驗結果進行定量分析，來進一步闡明其機制。」

企業的問題意識出現變化
實驗裝置大規模升級

另一個難題是如何因應多材料化。具體一例，就是探討易拆解EV車身的可能性。爲了實施EV車身的輕量化，企業將碳纖維強化塑膠（CFRP）等多種材料組合在合適的位置。也就是說，作爲分離這些不同材料，或者從CFRP中只分離碳纖維的技術，需探索新型電氣脈衝法的可能性。

其中尤其困難的事情是與企業就提供實驗材料進行的談判。什麼樣的物質應以什麼樣的科學形態存在，有了這些資訊，就容易對材料進行探討。然而，即使與企業簽訂了保密協議，出於保密的考慮，有時也會被拒絕提供產品資訊。對此所千晴教授擔憂地表示「這種情況下，分離技術難以進步」。

儘管如此，正如所千晴教授自己指出的那樣，企業對資源循環的問題意識已經發生了較大的改變。所千晴教授充滿希望地表示「現在是我們開始實施逆向製造和循環經濟的最後機會」。從正式研究開始至今約3年半，新型電脈衝法在闡明機制方面雖然還存在課題，但切實取得了一定的成果。

目前已經在實驗室層面上明確了作爲分離技術，能夠定量地判斷哪些東西適合分離。「能夠從促進易分解設計的角度來定性地提出方案，如果能設想使用某項技術，就可以明確需要某項設計」，所千晴教授道出了新技術的用武之地。在事業的最後一年，面向社會實際應用，與企業一起嘗試擴大了實驗裝置的規模。LIB 的材料分離實驗裝置中，還加入了LIB的運送裝置和正極材料活性材料的回收部分，已接近正式的分離裝置。

在研發程序中，所千晴教授重視的不是從研究思路出發，而是從理解社會需求出發。「在進行研發之前，我們需要全面瞭解整個供應鏈，準確瞭解分離技術和流程的瓶頸在哪裏。希望大家注意不要錯誤地設定初期階段的課題。」在將新型電脈衝法與各種分離技術相結合的同時，所千晴教授還將繼續操作爲構建循環型社會所做出努力。（TEXT：茂木俊輔、PHOTO：石原秀樹)