室溫1分鐘回收65%鋰電池金屬，一杯“鹽水”就能做到？

環(huán)球零碳

碳中和領(lǐng)域的《新青年》

首圖來源：SCI

撰文| Bell

編輯 | 小瀾

→這是《環(huán)球零碳》的1978篇原創(chuàng)

鋰電池的回收，不僅是處理電子垃圾，更是一場爭奪未來戰(zhàn)略資源的關(guān)鍵戰(zhàn)役。

我們?nèi)粘Ｊ褂玫氖謾C(jī)、筆記本電腦，以及正在迅猛普及的電動汽車，其心臟都是一塊塊鋰離子電池。在這些電池的“正極”材料中，蘊(yùn)藏著鋰、鈷、鎳、錳等珍貴金屬。

隨著全球向清潔能源轉(zhuǎn)型，對這些“未來金屬”的需求正以指數(shù)級增長。然而，這些資源在地球上的分布極不均衡，且儲量有限。

因此，如何高效回收和循環(huán)利用大量退役鋰電池中的金屬資源，一直是業(yè)界不懈努力的方向。

美國萊斯大學(xué)的科學(xué)家們給出了一個(gè)令人眼前一亮的答案。他們開創(chuàng)性地提出了一類新型的浸出劑——水系氨基氯化鹽溶液，在室溫下1分鐘內(nèi)就完成了65%的金屬的提取。

這項(xiàng)發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊《Small》上的研究，不僅展示了一種驚人的快速回收技術(shù)，更重新定義了設(shè)計(jì)綠色浸出劑的底層邏輯。

圖說：報(bào)廢鋰離子電池正極活性材料典型濕法冶金回收工藝流程圖

https://doi.org/10.1002/smll.202513823

傳統(tǒng)的電池回收方法，要么需要高溫焚燒，能耗巨大；要么依賴強(qiáng)酸和有毒化學(xué)溶劑長時(shí)間浸泡，不僅效率低下，處理過程本身也伴隨著安全和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

如何在低能耗、低污染的條件下，快速、高效地取出這些金屬，成了科學(xué)家們競相攻克的技術(shù)難題。

萊斯大學(xué)的研究人員將目光投向了一類被稱為“低共熔溶劑”的新型液體。這種溶劑由兩種或多種固體物質(zhì)混合后，能在遠(yuǎn)低于各自熔點(diǎn)的溫度下變成液體。

這類溶劑具有溶解金屬氧化物的能力，曾被視為溫和且環(huán)保的回收選項(xiàng)。然而，它們有一個(gè)致命的弱點(diǎn)：太粘稠了。

高粘度會嚴(yán)重阻礙分子的擴(kuò)散和碰撞，導(dǎo)致反應(yīng)過程異常緩慢，通常需要80°C以上的高溫和長達(dá)數(shù)小時(shí)的等待，這使得其實(shí)際應(yīng)用的性價(jià)比大打折扣。

研究人員并沒有選擇直接優(yōu)化這種溶劑，而是提出了一個(gè)關(guān)鍵問題：真正起作用的，究竟是復(fù)雜的“共熔”狀態(tài)，還是其中包含的幾種關(guān)鍵化學(xué)成分和能力？

研究人員假設(shè)，是否只要一種溶液能具備溶解金屬所必需的幾個(gè)核心特性，如酸性環(huán)境、能抓住金屬離子并將它們穩(wěn)定溶解的“配位”能力，以及低粘度帶來的快速傳質(zhì)能力，那么，就可以開發(fā)出優(yōu)秀的浸出劑。

來源：萊斯大學(xué)官網(wǎng)

基于這個(gè)思路，他們將目光投向了鹽酸羥胺這種氨基氯化鹽（HACl），并將其溶解在普通的水中，制成了一種清澈的溶液，而非傳統(tǒng)有機(jī)溶液。

這個(gè)看似簡單的配方，卻蘊(yùn)含著精妙的化學(xué)設(shè)計(jì)。

首先是它恰到好處的酸性。鹽酸羥胺水溶液呈弱酸性，這為金屬氧化物從電池正極材料的晶體結(jié)構(gòu)中“松綁”提供了最初的驅(qū)動力。酸性環(huán)境中的氫離子會首先發(fā)起攻擊，瓦解材料的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

其次，是其富含的氯離子強(qiáng)大的配位能力。當(dāng)金屬原子從晶體中被釋放出來時(shí)，氯離子會像一群忠誠的護(hù)衛(wèi)，迅速將其包圍，形成穩(wěn)定的金屬-氯絡(luò)合物，有效防止它們重新沉淀或聚集，確保它們能順暢地溶解到水溶液中。

最后，也是這項(xiàng)技術(shù)最獨(dú)特、最核心的優(yōu)勢，則是鹽酸羥胺分子中潛藏的“氧化還原活性中心”。

傳統(tǒng)強(qiáng)酸通常只是依靠酸性的力量去“硬溶”金屬，而鹽酸羥胺的方式則更加‘四兩撥千斤“。

它結(jié)構(gòu)中的羥胺基團(tuán)是一種強(qiáng)大的還原劑，當(dāng)它接觸到正極材料中處于高價(jià)態(tài)的鈷、鎳離子時(shí)，會主動將一個(gè)電子“贈送”出去，將這些高價(jià)金屬離子還原為更容易溶解的低價(jià)態(tài)。

這種化學(xué)反應(yīng)，為金屬的溶解路徑提供了額外的、更強(qiáng)的驅(qū)動力，相當(dāng)于在原本的化學(xué)平衡中，奮力推了一把。

這三種特性的協(xié)同作用造就了令人驚嘆的浸出速度。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在室溫條件下，僅僅一分鐘之內(nèi)，這種便宜、易得的水溶液就能從廢舊電池的NMC正極材料中，提取出大約65%的鋰、鈷、鎳和錳。

如果將反應(yīng)時(shí)間延長至15分鐘，溫度提升至60攝氏度，鋰、錳、鎳的浸出率更是可以輕松突破80%。與傳統(tǒng)低共熔溶劑動輒數(shù)小時(shí)的高溫加熱相比，這個(gè)速度堪稱“光速”。

圖說：三種氨基氯化物溶液在60℃下攪拌15分鐘后的浸出率對比

https://doi.org/10.1002/smll.202513823

研究人員通過電子顯微鏡觀察了浸出全過程，完美地印證了這一點(diǎn)：不到一分鐘，原本光滑的正極材料顆粒表面就開始變得粗糙，并出現(xiàn)巨大的裂紋。

三到五分鐘后，顆粒表面布滿了孔洞，溶液沿著裂縫和孔隙向內(nèi)滲透，不斷蠶食；最終，原本致密的顆粒結(jié)構(gòu)被徹底瓦解，變成了一個(gè)千瘡百孔、碎裂的海綿狀結(jié)構(gòu)。

圖說：顯微鏡下HACl水溶液中浸出過程中NMC顆粒形貌的分辨圖像

來源：https://doi.org/10.1002/smll.202513823

研究人員表示，該系統(tǒng)的一個(gè)大優(yōu)勢是它能在相對溫和的條件下工作，這將為更可持續(xù)、更具規(guī)模化的回收技術(shù)打開大門。

而且，將有機(jī)溶劑換成水，帶來的好處更是全方位的。

首先，水的粘度極低，分子在其間來去自如，大大促進(jìn)了化學(xué)反應(yīng)和傳質(zhì)速率，這也是反應(yīng)能在室溫下快速進(jìn)行的關(guān)鍵物理基礎(chǔ)。

其次，水廉價(jià)、無毒、不可燃，極大簡化了廢水處理和溶劑回收的流程，顯著降低了環(huán)境負(fù)擔(dān)和操作風(fēng)險(xiǎn)，讓整個(gè)回收過程從源頭上就變得更加綠色、安全。

相比之下，傳統(tǒng)低共熔溶劑中常用的有機(jī)成分（如乙二醇），雖然毒性不高，但其合成和處理仍然會帶來一定的環(huán)境影響。

這項(xiàng)研究還展示了一條完整的閉環(huán)回收路徑：研究人員將浸出后的金屬通過化學(xué)沉淀法回收，并利用回收的原料成功合成了全新的NMC正極材料。

這意味著，這種溫和、快速的水基方法，完全能夠融入現(xiàn)有的電池回收與再制造產(chǎn)業(yè)鏈中，讓寶貴的金屬資源從廢舊電池中來，再回到全新的電池中去，真正實(shí)現(xiàn)“從搖籃到搖籃”的循環(huán)經(jīng)濟(jì)。

Reference：

[1]https://news.rice.edu/news/2026/scientists-rice-pioneer-faster-greener-method-recycle-lithium-ion-batteries

[2]https://interestingengineering.com/energy/rice-battery-metals-water-recycling

[3]https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smll.202513823

熱門閱讀

（點(diǎn)擊圖片跳轉(zhuǎn)閱讀）