鈷是鋰離子電池的關(guān)鍵成分，鋰離子電池為從手機、心臟起搏器到電動汽車等許多現(xiàn)代生活的核心技術(shù)提供動力。

賓夕法尼亞大學(xué)Hirschmann-Makineni化學(xué)教授Eric Schelter表示：“也許我們中的許多人都讀過鋰離子電池對儲能技術(shù)的重要性。但構(gòu)成這種電池的材料來源可能令人擔(dān)憂，而且存在問題，無論是從道德角度還是從環(huán)境角度?！?/p>

Schelter實驗室一直專注于研究鎳和鈷等電池關(guān)鍵金屬的分離。據(jù)外媒報道，在發(fā)表在期刊《Chem》上的一篇新論文中，Chem團隊和西北大學(xué)（Northwestern University）研究人員合作提出一種“更簡單、更可持續(xù)、更便宜的方法，將鎳和鈷從原本被視為廢物的材料中分離出來?！?/p>

圖片來源：期刊《Chem》

“我們的化學(xué)方法很有吸引力，因為它簡單、效果好，而且能有效地分離鎳和鈷——這是該領(lǐng)域最具挑戰(zhàn)性的分離問題之一，”Schelter表示?！斑@種方法有兩個主要好處：提高從采礦作業(yè)中生產(chǎn)純化鈷的能力，同時將環(huán)境危害降至最低，解決傳統(tǒng)凈化化學(xué)品的刺激性，并通過提供一種有效的鎳和鈷分離方法為廢棄電池創(chuàng)造價值?！?/p>

選擇性分離的正確成分

研究人員表示，通常情況下，鈷通常是鎳礦開采的副產(chǎn)品，通過酸浸和溶劑萃取等濕法冶金方法將鈷和鎳從礦石中分離出來。這是一種能源密集型方法，會產(chǎn)生大量危險廢物。

為解決這一問題，Schelter和團隊開發(fā)出基于化學(xué)分離技術(shù)的工藝，該技術(shù)利用兩種分子復(fù)合物之間的電荷密度和鍵合差異：鈷（III）六氨絡(luò)合物和鎳（II）六氨絡(luò)合物。

“許多分離化學(xué)都是關(guān)于體現(xiàn)你想要分離的東西之間的差異，”Schelter表示?！霸谶@種情況下，我們發(fā)現(xiàn)氨與鎳和鈷六氨絡(luò)合物的結(jié)合方式不同，氨相對簡單且便宜。”

通過在系統(tǒng)中引入特定的帶負(fù)電荷的分子或陰離子，如碳酸鹽，研究人員創(chuàng)造了一種分子固體結(jié)構(gòu)，使鈷絡(luò)合物從溶液中沉淀出來，而鎳絡(luò)合物則溶解。

研究表明，碳酸陰離子通過形成強“氫鍵”選擇性地與鈷絡(luò)合物相互作用，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的沉淀物。沉淀后，通過過濾分離富含鈷的固體，用氨水清洗并干燥。剩余的溶液含有鎳，然后可以單獨處理。

“該工藝不僅可以實現(xiàn)兩種金屬的高純度——鈷純度為99.4%，鎳純度超過 99%——而且還避免了使用傳統(tǒng)分離方法中常用的有機溶劑和強酸，”第一作者、賓夕法尼亞大學(xué)藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院研究生Boyang（Bobby）Zhang說道?！斑@是一種本質(zhì)上簡單且可擴展的方法，具有環(huán)境和經(jīng)濟優(yōu)勢。”

技術(shù)經(jīng)濟和生命周期分析

在評估新方法的實際適用性時，由Marta Guron領(lǐng)導(dǎo)的團隊進行了技術(shù)經(jīng)濟分析和生命周期評估，前者顯示每克純化鈷的估計生產(chǎn)成本為1.05美元，大大低于報道的分離工藝每克2.7美元的成本。

“我們專注于最大限度地降低化學(xué)成本，同時使用現(xiàn)成的試劑，這使得我們的方法與現(xiàn)有技術(shù)具有潛在的競爭力，”Schelter表示。

生命周期分析發(fā)現(xiàn)，消除揮發(fā)性有機化學(xué)物質(zhì)和有害溶劑可使該工藝顯著降低環(huán)境和健康風(fēng)險。

更清潔的前進之路

“基于我們在這項工作過程中確定的一組獨特的分子識別原理，我認(rèn)為我們可以將這項工作擴展到許多不同的方向，”Schelter表示。“我們可以將它應(yīng)用于其他金屬分離問題，最終推動可持續(xù)化學(xué)和材料回收領(lǐng)域的更廣泛創(chuàng)新?！?/p>