「リチウム」は海から生まれる！これは本当に無尽蔵なのでしょうか？

制作：中国科学普及協会

著者: 周 鴻昌 (東京大学)

プロデューサー: 中国科学博覧会

リチウムは、電池の重要な資源として、皆さんもよくご存知だと思います。命を救うペースメーカーであれ、日々の仕事や勉強に使われるタブレット、携帯電話、コンピューターであれ、それらすべてにリチウム電池が必要です。リチウムは人々の生活に欠かせない重要な物質となっており、リチウム資源をより良く開発する方法は誰もが関心を持つ問題となっています。

現在、我が国は主に鉱石や塩湖からリチウムを採掘していますが、実際には、まだ開発されていないリチウム貯蔵庫、つまり海洋を守っているのです。海水からリチウムを抽出する研究は以前から盛んに行われてきたが、産業化には至っていなかった。

青島市はこのほど、世界初の海水淡水化鹹水リチウム抽出協力プロジェクトの調印式を開催し、世界初の海水リチウム抽出プロジェクトの建設を正式に開始し、海水リチウム抽出が工学検証から産業化へと移行する新たな段階に入った。

リチウム資源開発業界の現状を踏まえると、このプロジェクトの見通しはどうでしょうか？リチウム資源を利用する既存のさまざまな方法と比較して、海水からリチウムを抽出することの利点と欠点は何ですか?この記事では「リチウム」についての疑問にお答えします。

青島、世界初の海水淡水化・かん水リチウム抽出協力プロジェクトの調印式を開催

（写真提供：青島ニュースネットワーク）

既存のリチウム資源開発方法は依然として長期的な主役である

リチウムは新エネルギー産業の中核元素であり、リチウムイオン電池などのハイテク分野で広く使用されています。現在のリチウム資源開発は、主にスポジュメン鉱石（硬岩鉱石）と塩湖塩水という2種類の鉱物資源に集中しています。

硬岩鉱山のリチウムは主にスポジュメン鉱石の形で存在します。開発プロセスには通常、鉱石の採掘、鉱石の粉砕、粉砕、浮遊選鉱、製錬などのステップが含まれます。リチウムの主な抽出方法は、酸浸出と焙焼です。

3種類のスポジュメン結晶

(画像出典: Wikipedia)

リチウムの酸浸出は、粉砕・粉砕したスポジュメン鉱石を硫酸と混合して溶解性硫酸リチウムを生成し、固液分離、濃縮、結晶化などのプロセスを経てリチウムを抽出するプロセスです。焙焼法は、スポジュメン鉱石をソーダ灰や石膏と混ぜ、高温で焙焼して水溶性リチウム塩を生成し、その後、水浸出、濾過、結晶化などのプロセスを経てリチウムを抽出する方法です。

オーストラリアのグリーンブッシュ鉱山や中国のスポジュメン鉱山など、世界の主要なリチウム鉱床には、最大 1% から 2% のリチウムが含まれています。これらの鉱床の開発および精製プロセスは比較的成熟しており、生産量は相当なものです。

一方、塩湖の塩水はリチウムを豊富に含む地下水資源です。塩湖の塩水からリチウムを抽出する主な方法は、太陽熱蒸発とイオン交換です。

ウユニ塩湖

(画像出典: Wikipedia 著者: Dan Lundberg)

太陽蒸発法は、塩湖の塩水を大きな蒸発池に汲み上げ、太陽エネルギーを利用してその中の水を蒸発させ、リチウム濃度を徐々に高める方法です。一連の蒸発プールで蒸発させた後、液体中のリチウム濃度が一定のレベルに達し、その後リチウムの抽出と精製が行われます。イオン交換法は、イオン交換樹脂または膜を通して塩湖の塩水からリチウムイオンを分離する方法です。この方法の利点は選択性が高いことですが、処理能力は樹脂や膜の性能によって制限されます。

塩湖の塩水中のリチウム濃度は通常、数百から数千 mg/L の範囲です。硬岩鉱山に比べると生産量は少ないものの、地表塩湖資源は採掘や処理が容易なため、生産量は依然として比較的高い。アルゼンチン、チリ、ボリビアの国境にある大きな塩湖など、南米の塩湖は世界的なリチウム資源の重要な供給源です。

一般的に、どちらの方法にもそれぞれ長所と短所があります。硬岩鉱山開発方式の利点は生産能力が高いことですが、環境へのダメージも大きくなります。一方、塩湖の塩水開発法は比較的環境に優しいが、気候条件に大きく影響され、リチウム回収率が低い。

近年、リチウムの世界的な需要は増加し続けており、リチウム原材料の価格は長期間高止まりしており、産業チェーンの下流にあるバッテリーメーカーや新エネルギー車企業に大きなコスト圧力をもたらしています。そのため、海水からリチウムを抽出する研究に焦点が当てられてきました。結局のところ、海洋中のリチウム資源の総量は豊富であり、無尽蔵であると言えます。

海水中のリチウム資源量は約2,300億トンで、これは世界で回収可能なリチウム資源総量の1万6,000倍に相当します。しかし、海水中のリチウム濃度は非常に低く、一般的には0.1～0.2 mg/Lで、鉱石中のリチウム含有量の約10万分の1です。低濃度、技術的な困難さ、コストの問題により、海水からリチウムを抽出する現在の生産効率は、既存のリチウム資源開発技術よりもはるかに低いです。したがって、既存のリチウム資源開発方法が長期的には主役であり続けるだろう。

海洋のリチウム埋蔵量は2,300億トンにも達する（写真は奄美大島）

（写真提供：著者撮影）

無尽蔵であることは事実だが、生産効率が大きな問題である

海水からリチウムを抽出する技術はまだ研究開発段階にある。技術的なルートとしては、主に吸着法、イオン交換法、電気化学的方法、溶媒抽出法などがあります。次に、これらの方法の違いを見てみましょう。

吸着法：

リチウムイオンは、リチウムイオン交換材料やリチウムイオンふるいなどの特定の吸着剤を使用して海水から吸着され、その後、適切な脱着剤を使用してリチウムイオンが吸着剤から脱着され、それによってリチウムの濃縮と回収が達成されます。この方法の利点は操作が簡単で環境に優しいことですが、欠点はリチウムの回収率と選択性が吸着剤の性能によって制限されることです。

イオン交換プロセスは塩湖の塩水と同じであり、同じ利点と欠点があります。さらに、イオン交換樹脂は使用中に定期的に再生する必要があり、操作が複雑になります。

電気化学的方法は、主に電気分解または電気泳動の原理を利用して海水からリチウムを抽出します。電気化学的方法の利点は選択性が高いことですが、欠点はエネルギー消費量が多く、設備コストが高いことです。さらに、電気分解プロセス中に特定の副産物が生成され、処理が必要になる場合があります。

溶媒抽出法は、特定の有機溶媒または錯化剤を使用してリチウムイオンと錯体を形成し、海水からリチウムを分離します。この方法の利点は選択性が高いことですが、欠点は有機溶剤を使用するため、環境に一定の影響を与えることです。さらに、溶媒の回収と再生のプロセスは比較的複雑です。

スマートフォンに使われるリチウム電池

(画像出典: Wikipedia 著者: MyXyloto)

技術には問題があるものの、産業化の見通しは暗いわけではない。

海水リチウムの産業発展における重要な要素は採掘コストの削減です。既存の技術レベルに到達できるかどうかは、主に以下の点によって決まります。

一つ目は当然ながら技術の進歩です。今後数年間、関連技術の継続的な研究開発により、抽出効率が向上し、コストが削減される可能性があります。これを踏まえると、持続可能なエネルギーに対する世界的な注目が高まるにつれて、政府はこの分野に政策支援と財政投資を行う可能性が高い。

同時に、市場の需要も重要な影響要因となります。電気自動車と再生可能エネルギー市場の急速な発展に伴い、リチウム資源の需要は引き続き増加し、海水からのリチウム抽出の産業発展に市場の推進力を与えるでしょう。

それだけでなく、海水からリチウムを抽出することは、従来のリチウム資源採掘技術よりも環境への影響が少ないと期待されています。持続可能な開発を重視する文脈において、これは工業化の重要な原動力でもあります。

灯油に浮かぶリチウム金属

(画像出典: Wikipedia)

結論

まとめると、既存のリチウム資源開発技術は、収量の点では海水からリチウムを抽出する技術よりも依然として大幅に優れています。技術が進歩し、持続可能なエネルギーの需要が高まるにつれて、この技術は改善・開発され、収穫量と競争力の向上につながる可能性があります。

青島ニュースによると、新たに建設されたプロジェクトでは、排出前に青島百発淡水化プラントで生成された塩水を使用してリチウムを抽出し、年間約40トンの炭酸リチウムを生産する。このプロジェクトの今後の発展が順風満帆となるかどうかは別として、世界のリチウム資源開発産業における重要な試みとして、世界の産業史に記録されることになるだろう。

さらなる技術革新に頼れば、おそらく将来的には、「リチウムは無料だ！」と自信を持って言えるようになるでしょう。

編集者：孫晨宇