日前，南昌航空大学/井冈山大学罗旭彪教授团队在国际知名期刊《Energy Storage Materials》发表题为“Precise Ni/Co Separation from Spent Li|Ion Batteries: Revealing the Pivotal Role of H2O in Deep Eutectic Solvents”的研究文章。初次提出以“H2O介导的深共晶溶剂(DES)”一步法达成Ni/Co精确离别的新思路。该文章通过精准控制DES体系水含量，巧妙放大Ni²⁺与Co²⁺在配位化学与溶解度上的细微差异，达到Ni/Co的高选择性离别因子(125)。
文章信息
退役锂电池Ni/Co一步法精确离别：揭示水在深共晶溶剂体系中的重点用途第一作者：胡星宇通讯作者：石慧*，罗旭彪*单位：南昌航空大学，井冈山大学
研究背景
伴随电动汽车与储能产业的爆发，退役三元锂离子电池(NCM)的“城市矿山”价值日益凸显。然而，电池正极中过渡金属的理化性质极为相似(特别对Ni、Co而言)，传统收购工艺很难高选择性地将它离别，致使资源浪费与环境二次污染。怎么样开发绿色、高效、精确的离别方案，已成为全球锂电池收购范围亟待突破的瓶颈。
文章介绍
日前，南昌航空大学/井冈山大学罗旭彪教授团队在国际知名期刊《Energy Storage Materials》发表题为“Precise Ni/Co Separation from Spent Li|Ion Batteries: Revealing the Pivotal Role of H2O in Deep Eutectic Solvents”的研究文章。初次提出以“H2O介导的深共晶溶剂(DES)”一步法达成Ni/Co精确离别的新思路。该文章通过精准控制DES体系水含量，巧妙放大Ni²⁺与Co²⁺在配位化学与溶解度上的细微差异，达到Ni/Co的高选择性离别因子(125)。并通过有关表征和理论模拟计算相结合，深入探讨了过渡金属选择性离别的内在机制，为退役锂电池资源循环提供了“绿色范文”。
本文要素
要素1、DES的制备与筛选
文章以氯化胆碱(ChCl)为氢键受体(HBA)，二元羧酸为氢键供体(HBD)，构筑一系列DES。筛选出的DES(ChCl|丙二酸)一枝独秀达成了Ni/Co的显著离别。丙二酸的双邻位羧基可与过渡金属形成稳定螯合物，加之ChCl提供足量Cl|，协同H2O调控配位环境，从而赋予DES对Ni/Co的独特选择性，为后续机理与工艺优化奠定基础。
图1.DES的制备与筛选
要素2、Ni/Co 选择性离别性能优化
在45min、1/50、100℃条件下，通过调节浸出体系中的水含量，达成了Ni和Co的精准离别(SF高达125)。通过表征可知，在该条件下Ni以沉淀的形式存在于固相中，而Co则以络合态存在于溶液中。H2O/Cl协同诱导Ni和Co产生了不一样的配位化学行为，与溶解度差异的放大。
图2. DES对不同金属的浸出效率
要素3、H2O的“双重效应”
文章中通过分子动力学模拟剖析了在不同水含量介导下，过渡金属的配位行为差异。除此之外，通过实验表征的验证表明体系中低含水量时，Ni2+与Co2+均以[NiCl4]2|/[CoCl4]2|阴离子络合物存在，很难区别。当水含量提高时，Ni2+优先形成[Ni(H2O)6]2+阳离子络合物，而Co2+仍维持[CoCl4]2|结构。该配位差异直接致使Ni2+与丙二酸根结合沉淀，Co2+则留在溶液，进而达成精确离别。同时水含量的提高使得溶解度差异被放大25.6%，成了Ni/Co离别的“临门一脚”。
图3. 深共晶溶剂离别Ni/Co的有关表征与原理示意图
要素4、过渡金属离别工艺构建与全生命周期评价(LCA)
相比传统多步萃取或高温焙烧，该工艺只需要45 min、100 °C即可完成Ni选择性沉淀，有机酸用量减少78%。生命周期评估(LCA)显示，DES路线温室气体排放仅684 g kg⁻¹，能耗7 MJ kg⁻¹，显著优于火法/湿法工艺，且可达成15.6 $/kg经济收益。
图4. DES选择性离别工艺构建与LCA剖析
要素5、总结
文章中提出了一种新的办法来解决从废LIB中选择性离别过渡金属尤其是Ni和Co的长期挑战，并深入揭示了H2O在DES体系中独特的双重用途—不只改变了过渡金属的配位行为，产物盐的溶解度差异也被放大。除此之外，构建的工艺步骤的技术经济评估呈现出显著优势，包含一步反应的短步骤、不需要额外的试剂、与传统的镍钴离别DES体系相比，反应时间短、温度低，有机酸消耗量少，为绿色溶剂的合理设计奠定了基础，为解决清洗能源年代日益迫近的资源短缺危机提供了一种可规模化、生态高效的解决方法。
文章链接
Precise Ni/Co Separation from Spent Li|Ion Batteries: Revealing the Pivotal Role of H2O in Deep Eutectic Solvents
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405829725005835
通讯作者介绍
罗旭彪教授井冈山大学党委书记，国家杰出年轻人基金与中国年轻人科技奖获得者，国家重点研发计划首席科学家，国家“万人计划”科技革新领军人才，2021年入选全球高被引学者。重金属污染控制与资源化国家地方联合工程研究中心副主任、固废资源化专业委员会第一届委员会副主任、中国城镇供水排水协会工程教育专业委员会委员、中国年轻人科技工作者协会理事;担任Environment Functional Materials副主编、Chinese Chemical Letters、《环境工程》等杂志编委。长期致力于重金属废水及固废治理与资源化的原理、技术和工程应用研究。先后主持了国家重点研发计划、国家杰出年轻人基金、国家出色年轻人基金等国家省部级项目18项;以第一作者/通讯作者发表论文100余篇，高被引论文19篇，出版中英专著4部，授权创造专利47项，有关成就获国家技术创造二等奖、国家科技进步二等奖、江西技术创造一等奖、中国有色金属工业科技一等奖、环境保护科技一等奖等10项奖励。
石慧副教授南昌航空大学环境与化学工程学院副教授、硕士生导师。长期从事含重金属废弃物处置及定向资源化技术研究。主持国家自然科学基金年轻人/区域项目、国家重点研发计划子课题等国家及省部级项目8项。入选赣鄱俊才支持计划|主要学科学术和技术带头人。以第一/通讯作者发表SCI论文29篇，单篇最高引用1043次;以第一创造人申请专利19项，已授权8项;参编Elsevier出版社英文学术专著1部;参与拟定锂电池收购借助团体标准3项;获2022年度江西科技进步奖一等奖1项、2021年度中国有色金属工业科技奖一等奖1项。
第一作者介绍
胡星宇，北京工业大学与南昌航空大学联合培养博士研究生，主要研究方向聚焦于退役锂电池收购。
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