自動車軽量化に伴う新構造材料の動的循環解析及びリビルト導入効果の検証

汽车轻量化新型结构材料动态循环分析及改造效果验证

• 批准号: 21K17918
• 负责人: 張 政陽
• 金额: $ 1.75万
• 依托单位: Tohoku University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K17918/
• 关键词: アルミニウム; 固体電解精製技術; リサイクル; アップグレード; 電気自動車; 省エネルギー; 展伸材; 鋳造材; リユース効果評価モデルの構築; 自動車; 軽量化素材; マテリアルフロー分析; リビルト; リユース

今年度は材料科学研究チームと共同で固体アルミニウム（Al）溶融塩電解技術を開発し、Al新地金製造時の半分以下のエネルギー消費で銅、硅素等の合金化元素を大量に含むAlスクラップを純Alに再生することを実現した。また、電気自動車へのシフトによる脱エンジン化に伴うAl需要の変化に着目し、本技術を適用した場合、世界のAl資源循環への波及効果を明示した。この成果は、2022年4月14日に世界トップの総合科学誌Natureに掲載された。現在の再溶融プロセスによるリサイクルは、合金元素の除去が困難で品質劣化を伴うダウングレードリサイクルとなっている。そのため、再生Alの最終用途は、自動車用エンジンブロック鋳造品などに限られている。しかし、世界的な電気自動車の普及によりエンジンの需要が激減し、再生Alの受け皿の縮小につれ、世界のAlの循環破綻が懸念されている。このままでは、2040年に使えない再生Alが364万トンに上ると推計した。この「Alクライシス」の克服に資する本技術の実証実験として、硅素を11%、銅を2％、鉄を0.8%含有するAl合金を固体のまま陽極として電解した結果、陰極において純度99.9%のAlを96%の収率で回収できた。また、本技術によるAl再生にかかるエネルギー消費は58～80MJ/(kg-Al) であると見込まれた。更には本技術を既存のAlリサイクルシステムに導入した場合、2040年に364万トンの再生Alを高純度Alに戻すことができ、多様なAl需要へ対応できる。本技術は、Alのサステイナブルリサイクルの実現に貢献できると考えている。本技術によって全てのAlスクラップを精製する必要はなく、Al再生時に質の低下を防ぎ、展伸材に再利用できる最低限の処理量を確保することが経済的及び省エネルギー観点から合理的である。

本财年，我们将与材料科学研究团队合作，开发固体铝（Al）熔盐电解技术，可以生产含有大量铜、硅等合金元素的铝废料，而能耗不到生产铝废料的一半我们成功地将其再生为纯铝。此外，我们还关注了由于向电动汽车的转变和远离发动机而导致的铝需求变化，并论证了应用该技术时对全球铝资源循环的连锁反应。该成果于2022年4月14日发表在全球顶级普通科学期刊《自然》上。使用当前重熔工艺进行回收会导致降级回收，并且由于难以去除合金元素而导致质量恶化。因此，回收铝的最终用途仅限于汽车发动机缸体铸件。然而，随着电动汽车在全球范围内的普及，发动机的需求急剧下降，并且随着回收铝的产能萎缩，人们担心世界铝循环将被扰乱。如果照此下去，预计到2040年，将有364万吨无法使用的再生铝。作为有助于克服这一“铝危机”的这项技术的示范实验，我们电解了含有 11% 硅、2% 铜和 0.8% 铁的铝合金作为固态阳极，回收了铝。 96%。此外，使用该技术进行铝再生的能耗估计为58至80 MJ/(kg-Al)。此外，如果将该技术引入现有的铝回收系统，到2040年可将364万吨回收铝返回高纯铝，满足多样化的铝需求。我们相信这项技术能够为实现铝的可持续回收做出贡献。使用该技术不需要精炼所有的铝废料，从经济和节能的角度来看，防止铝再生期间质量恶化并确保可作为锻造材料重新利用的加工量是合理的。

项目成果

物質フロー分析の発展と応用

物质流分析的发展与应用

• 发表时间: 2022
• 作者: Zhang Zhengyang;Matsubae Kazuyo;Nakajima Kenichi;張政陽
• 通讯作者: 張政陽

A solid-state electrolysis process for upcycling aluminium scrap

• DOI: 10.1038/s41586-022-04748-4
• 发表时间: 2022-04-13
• 期刊: NATURE
• 影响因子: 64.8
• 作者: Lu, Xin;Zhang, Zhengyang;Nagasaka, Tetsuya
• 通讯作者: Nagasaka, Tetsuya

清華大学/北京科技大学(中国)

清华大学/北京科技大学（中国）

Impact of remanufacturing on the reduction of metal losses through the life cycles of vehicle engines

• DOI: 10.1016/j.resconrec.2021.105614
• 发表时间: 2021-07
• 期刊: Resources, Conservation and Recycling
• 作者: Zhengyang Zhang;K. Matsubae;K. Nakajima

2021年度東北大学と清華大学の共同研究ファンド採択プロジェクト決定

东北大学与清华大学联合研究基金2021年度入选项目