环球零碳
碳中和领域的《新青年》
首图来源：SCI
撰文| Bell
编辑 | 小澜
→这是《环球零碳》的1978篇原创
锂电池的回收，不仅是处理电子垃圾，更是一场争夺未来战略资源的关键战役。
我们日常使用的手机、笔记本电脑，以及正在迅猛普及的电动汽车，其心脏都是一块块锂离子电池。在这些电池的“正极”材料中，蕴藏着锂、钴、镍、锰等珍贵金属。
随着全球向清洁能源转型，对这些“未来金属”的需求正以指数级增长。然而，这些资源在地球上的分布极不均衡，且储量有限。
因此，如何高效回收和循环利用大量退役锂电池中的金属资源，一直是业界不懈努力的方向。
美国莱斯大学的科学家们给出了一个令人眼前一亮的答案。他们开创性地提出了一类新型的浸出剂——水系氨基氯化盐溶液，在室温下1分钟内就完成了65%的金属的提取。
这项发表在学术期刊《Small》上的研究，不仅展示了一种惊人的快速回收技术，更重新定义了设计绿色浸出剂的底层逻辑。
图说：报废锂离子电池正极活性材料典型湿法冶金回收工艺流程图
https://doi.org/10.1002/smll.202513823
传统的电池回收方法，要么需要高温焚烧，能耗巨大；要么依赖强酸和有毒化学溶剂长时间浸泡，不仅效率低下，处理过程本身也伴随着安全和环境风险。
如何在低能耗、低污染的条件下，快速、高效地取出这些金属，成了科学家们竞相攻克的技术难题。
莱斯大学的研究人员将目光投向了一类被称为“低共熔溶剂”的新型液体。这种溶剂由两种或多种固体物质混合后，能在远低于各自熔点的温度下变成液体。
这类溶剂具有溶解金属氧化物的能力，曾被视为温和且环保的回收选项。然而，它们有一个致命的弱点：太粘稠了。
高粘度会严重阻碍分子的扩散和碰撞，导致反应过程异常缓慢，通常需要80°C以上的高温和长达数小时的等待，这使得其实际应用的性价比大打折扣。
研究人员并没有选择直接优化这种溶剂，而是提出了一个关键问题：真正起作用的，究竟是复杂的“共熔”状态，还是其中包含的几种关键化学成分和能力？
研究人员假设，是否只要一种溶液能具备溶解金属所必需的几个核心特性，如酸性环境、能抓住金属离子并将它们稳定溶解的“配位”能力，以及低粘度带来的快速传质能力，那么，就可以开发出优秀的浸出剂。
来源：莱斯大学官网
基于这个思路，他们将目光投向了盐酸羟胺这种氨基氯化盐（HACl），并将其溶解在普通的水中，制成了一种清澈的溶液，而非传统有机溶液。
这个看似简单的配方，却蕴含着精妙的化学设计。
首先是它恰到好处的酸性。盐酸羟胺水溶液呈弱酸性，这为金属氧化物从电池正极材料的晶体结构中“松绑”提供了最初的驱动力。酸性环境中的氢离子会首先发起攻击，瓦解材料的稳定结构。
其次，是其富含的氯离子强大的配位能力。当金属原子从晶体中被释放出来时，氯离子会像一群忠诚的护卫，迅速将其包围，形成稳定的金属-氯络合物，有效防止它们重新沉淀或聚集，确保它们能顺畅地溶解到水溶液中。
最后，也是这项技术最独特、最核心的优势，则是盐酸羟胺分子中潜藏的“氧化还原活性中心”。
传统强酸通常只是依靠酸性的力量去“硬溶”金属，而盐酸羟胺的方式则更加‘四两拨千斤“。
它结构中的羟胺基团是一种强大的还原剂，当它接触到正极材料中处于高价态的钴、镍离子时，会主动将一个电子“赠送”出去，将这些高价金属离子还原为更容易溶解的低价态。
这种化学反应，为金属的溶解路径提供了额外的、更强的驱动力，相当于在原本的化学平衡中，奋力推了一把。
这三种特性的协同作用造就了令人惊叹的浸出速度。
实验结果显示，在室温条件下，仅仅一分钟之内，这种便宜、易得的水溶液就能从废旧电池的NMC正极材料中，提取出大约65%的锂、钴、镍和锰。
如果将反应时间延长至15分钟，温度提升至60摄氏度，锂、锰、镍的浸出率更是可以轻松突破80%。与传统低共熔溶剂动辄数小时的高温加热相比，这个速度堪称“光速”。
图说：三种氨基氯化物溶液在60℃下搅拌15分钟后的浸出率对比
https://doi.org/10.1002/smll.202513823
研究人员通过电子显微镜观察了浸出全过程，完美地印证了这一点：不到一分钟，原本光滑的正极材料颗粒表面就开始变得粗糙，并出现巨大的裂纹。
三到五分钟后，颗粒表面布满了孔洞，溶液沿着裂缝和孔隙向内渗透，不断蚕食；最终，原本致密的颗粒结构被彻底瓦解，变成了一个千疮百孔、碎裂的海绵状结构。
图说：显微镜下HACl水溶液中浸出过程中NMC颗粒形貌的分辨图像
来源：https://doi.org/10.1002/smll.202513823
研究人员表示，该系统的一个大优势是它能在相对温和的条件下工作，这将为更可持续、更具规模化的回收技术打开大门。
而且，将有机溶剂换成水，带来的好处更是全方位的。
首先，水的粘度极低，分子在其间来去自如，大大促进了化学反应和传质速率，这也是反应能在室温下快速进行的关键物理基础。
其次，水廉价、无毒、不可燃，极大简化了废水处理和溶剂回收的流程，显著降低了环境负担和操作风险，让整个回收过程从源头上就变得更加绿色、安全。
相比之下，传统低共熔溶剂中常用的有机成分（如乙二醇），虽然毒性不高，但其合成和处理仍然会带来一定的环境影响。
这项研究还展示了一条完整的闭环回收路径：研究人员将浸出后的金属通过化学沉淀法回收，并利用回收的原料成功合成了全新的NMC正极材料。
这意味着，这种温和、快速的水基方法，完全能够融入现有的电池回收与再制造产业链中，让宝贵的金属资源从废旧电池中来，再回到全新的电池中去，真正实现“从摇篮到摇篮”的循环经济。
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
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