室溫1分鐘回收65%鋰電池金屬，一杯“鹽水”就能做到？

環球零碳

碳中和領域的《新青年》

首圖來源：SCI

撰文| Bell

編輯 | 小瀾

→這是《環球零碳》的1978篇原創

鋰電池的回收，不僅是處理電子垃圾，更是一場爭奪未來戰略資源的關鍵戰役。

我們日常使用的手機、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，蘊藏著鋰、鈷、鎳、錳等珍貴金屬。

隨著全球向清潔能源轉型，對這些“未來金屬”的需求正以指數級增長。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利用大量退役鋰電池中的金屬資源，一直是業界不懈努力的方向。

美國萊斯大學的科學家們給出了一個令人眼前一亮的答案。他們開創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分鐘內就完成了65%的金屬的提取。

這項發表在學術期刊《Small》上的研究，不僅展示了一種驚人的快速回收技術，更重新定義了設計綠色浸出劑的底層邏輯。

圖說：報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

傳統的電池回收方法，要么需要高溫焚燒，能耗巨大；要么依賴強酸和有毒化學溶劑長時間浸泡，不僅效率低下，處理過程本身也伴隨著安全和環境風險。

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

萊斯大學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混合后，能在遠低于各自熔點的溫度下變成液體。

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

高粘度會嚴重阻礙分子的擴散和碰撞，導致反應過程異常緩慢，通常需要80°C以上的高溫和長達數小時的等待，這使得其實際應用的性價比大打折扣。

研究人員并沒有選擇直接優化這種溶劑，而是提出了一個關鍵問題：真正起作用的，究竟是復雜的“共熔”狀態，還是其中包含的幾種關鍵化學成分和能力？

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

來源：萊斯大學官網

基于這個思路，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，而非傳統有機溶液。

這個看似簡單的配方，卻蘊含著精妙的化學設計。

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構中“松綁”提供了最初的驅動力。酸性環境中的氫離子會首先發起攻擊，瓦解材料的穩定結構。

其次，是其富含的氯離子強大的配位能力。當金屬原子從晶體中被釋放出來時，氯離子會像一群忠誠的護衛，迅速將其包圍，形成穩定的金屬-氯絡合物，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，也是這項技術最獨特、最核心的優勢，則是鹽酸羥胺分子中潛藏的“氧化還原活性中心”。

傳統強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“。

它結構中的羥胺基團是一種強大的還原劑，當它接觸到正極材料中處于高價態的鈷、鎳離子時，會主動將一個電子“贈送”出去，將這些高價金屬離子還原為更容易溶解的低價態。

這種化學反應，為金屬的溶解路徑提供了額外的、更強的驅動力，相當于在原本的化學平衡中，奮力推了一把。

這三種特性的協同作用造就了令人驚嘆的浸出速度。

實驗結果顯示，在室溫條件下，僅僅一分鐘之內，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。

如果將反應時間延長至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%。與傳統低共熔溶劑動輒數小時的高溫加熱相比，這個速度堪稱“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：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滲透，不斷蠶食；最終，原本致密的顆粒結構被徹底瓦解，變成了一個千瘡百孔、碎裂的海綿狀結構。

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，該系統的一個大優勢是它能在相對溫和的條件下工作，這將為更可持續、更具規模化的回收技術打開大門。

而且，將有機溶劑換成水，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，大大促進了化學反應和傳質速率，這也是反應能在室溫下快速進行的關鍵物理基礎。

其次，水廉價、無毒、不可燃，極大簡化了廢水處理和溶劑回收的流程，顯著降低了環境負擔和操作風險，讓整個回收過程從源頭上就變得更加綠色、安全。

相比之下，傳統低共熔溶劑中常用的有機成分（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境影響。

這項研究還展示了一條完整的閉環回收路徑：研究人員將浸出后的金屬通過化學沉淀法回收，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，完全能夠融入現有的電池回收與再制造產業鏈中，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，真正實現“從搖籃到搖籃”的循環經濟。

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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