钴是锂离子电池的关键成分，锂离子电池为从手机、心脏起搏器到电动汽车等许多现代生活的核心技术提供动力。
宾夕法尼亚大学Hirschmann-Makineni化学教授Eric Schelter表示：“也许我们中的许多人都读过锂离子电池对储能技术的重要性。但构成这种电池的材料来源可能令人担忧，而且存在问题，无论是从道德角度还是从环境角度。”
Schelter实验室一直专注于研究镍和钴等电池关键金属的分离。据外媒报道，在发表在期刊《Chem》上的一篇新论文中，Chem团队和西北大学（Northwestern University）研究人员合作提出一种“更简单、更可持续、更便宜的方法，将镍和钴从原本被视为废物的材料中分离出来。”
图片来源：期刊《Chem》
“我们的化学方法很有吸引力，因为它简单、效果好，而且能有效地分离镍和钴——这是该领域最具挑战性的分离问题之一，”Schelter表示。“这种方法有两个主要好处：提高从采矿作业中生产纯化钴的能力，同时将环境危害降至最低，解决传统净化化学品的刺激性，并通过提供一种有效的镍和钴分离方法为废弃电池创造价值。”
选择性分离的正确成分
研究人员表示，通常情况下，钴通常是镍矿开采的副产品，通过酸浸和溶剂萃取等湿法冶金方法将钴和镍从矿石中分离出来。这是一种能源密集型方法，会产生大量危险废物。
为解决这一问题，Schelter和团队开发出基于化学分离技术的工艺，该技术利用两种分子复合物之间的电荷密度和键合差异：钴（III）六氨络合物和镍（II）六氨络合物。
“许多分离化学都是关于体现你想要分离的东西之间的差异，”Schelter表示。“在这种情况下，我们发现氨与镍和钴六氨络合物的结合方式不同，氨相对简单且便宜。”
通过在系统中引入特定的带负电荷的分子或阴离子，如碳酸盐，研究人员创造了一种分子固体结构，使钴络合物从溶液中沉淀出来，而镍络合物则溶解。
研究表明，碳酸阴离子通过形成强“氢键”选择性地与钴络合物相互作用，从而产生稳定的沉淀物。沉淀后，通过过滤分离富含钴的固体，用氨水清洗并干燥。剩余的溶液含有镍，然后可以单独处理。
“该工艺不仅可以实现两种金属的高纯度——钴纯度为99.4%，镍纯度超过 99%——而且还避免了使用传统分离方法中常用的有机溶剂和强酸，”第一作者、宾夕法尼亚大学艺术与科学学院研究生Boyang（Bobby）Zhang说道。“这是一种本质上简单且可扩展的方法，具有环境和经济优势。”
技术经济和生命周期分析
在评估新方法的实际适用性时，由Marta Guron领导的团队进行了技术经济分析和生命周期评估，前者显示每克纯化钴的估计生产成本为1.05美元，大大低于报道的分离工艺每克2.7美元的成本。
“我们专注于最大限度地降低化学成本，同时使用现成的试剂，这使得我们的方法与现有技术具有潜在的竞争力，”Schelter表示。
生命周期分析发现，消除挥发性有机化学物质和有害溶剂可使该工艺显著降低环境和健康风险。
更清洁的前进之路
“基于我们在这项工作过程中确定的一组独特的分子识别原理，我认为我们可以将这项工作扩展到许多不同的方向，”Schelter表示。“我们可以将它应用于其他金属分离问题，最终推动可持续化学和材料回收领域的更广泛创新。”
