廢舊鋰離子電池

回收技術(shù)獲突破

科技日報2024年11月10日報道，記者從昆明理工大學(xué)冶金與能源工程學(xué)院獲悉，該院華一新教授團隊近日在低共熔溶劑回收廢舊鋰離子電池領(lǐng)域取得重要研究進展，不僅為廢舊電池的有效回收提供了新思路，也為全球鋰離子電池市場的可持續(xù)發(fā)展注入了強勁動力。相關(guān)研究成果于5月3日發(fā)表在開放獲取期刊《e科學(xué)》上。

隨著全球鋰離子電池市場的快速增長，廢舊電池的處理問題日益凸顯。廢舊電池中蘊含的有價金屬如鋰、鈷等若能得到有效回收，不僅能緩解原材料枯竭的壓力，還能顯著降低環(huán)境污染。然而，傳統(tǒng)的回收方法存在諸多難題，如鋰在水溶液中難以沉淀、需添加多種沉淀劑回收過渡金屬等。

為此，昆明理工大學(xué)教授華一新、副教授汝娟堅等人有針對性地提出了基于水平衡調(diào)節(jié)低共熔溶劑中離子競爭配位的創(chuàng)新策略。該策略通過精準(zhǔn)調(diào)控溶劑中的水分含量，實現(xiàn)了材料循環(huán)與溶劑循環(huán)的雙循環(huán)回收，有效提高了廢舊電池中有價金屬的回收效率。

該團隊首次在低共熔溶劑中實現(xiàn)了鋰的優(yōu)先提取及鈷的精準(zhǔn)分離。這一突破性進展得益于氯化膽堿—草酸—水低共熔溶劑的獨特優(yōu)勢，其低黏度、高溶解性和選擇性析出含鋰化合物的特性，使得鋰的優(yōu)先提取成為可能。更重要的是，整個過程中無須添加還原劑和沉淀劑，大大降低了回收成本和環(huán)境風(fēng)險。

此外，團隊還首次系統(tǒng)分析了水含量對低共熔溶劑中離子競爭配位的調(diào)節(jié)機制。通過分子動力學(xué)模擬，揭示了水含量及浸出溫度對離子競爭配位的影響，進一步闡明了鋰的優(yōu)先析出和鈷的精準(zhǔn)分離機理。這一成果，不僅為廢舊電池中有價金屬的回收提供了理論支撐，還為其他類型電池材料的回收提供了借鑒。

目前，這一創(chuàng)新策略已成功廣泛用于多種鋰離子電池正極材料的回收，為廢舊電池材料的資源化利用開辟了新路徑?！拔覀冇欣碛上嘈?，未來隨著新技術(shù)的不斷推廣和應(yīng)用，廢舊電池將不再是‘廢物’，而是寶貴的資源，為綠色可持續(xù)發(fā)展貢獻力量。”華一新說。

（2024年11月10日 趙漢斌 科技日報）

高速3D生物打印機面世

科技日報2024年11月11日報道，澳大利亞墨爾本大學(xué)科學(xué)家研制出一款新型高速3D打印機。這款先進的生物打印機利用“動態(tài)界面打印”技術(shù)，巧妙借助聲波，能在幾秒內(nèi)快速精準(zhǔn)構(gòu)建并打印出3D細(xì)胞結(jié)構(gòu)。相關(guān)論文發(fā)表于新一期《自然》雜志。

研究人員表示，這項技術(shù)為癌癥研究提供了一種精準(zhǔn)復(fù)制特定人體器官和組織的利器，將極大提升預(yù)測和開發(fā)新型藥物療法的潛力，顯著降低對動物實驗的需求，為藥物發(fā)現(xiàn)開辟一條更先進且合乎道德的新路徑。此外，該技術(shù)也有助為患者提供量身定制的個性化治療方案。

研究人員解釋稱，傳統(tǒng)的3D生物打印是一個緩慢而精細(xì)的過程，需要逐層堆疊細(xì)胞。然而，這些細(xì)胞往往很難“精準(zhǔn)就位”，導(dǎo)致難以打印出準(zhǔn)確的人體組織結(jié)構(gòu)。

而新型打印機則能利用振動氣泡產(chǎn)生的聲波，對細(xì)胞進行精準(zhǔn)操控和排列，從而創(chuàng)建出精確而復(fù)雜的3D組織結(jié)構(gòu)。

更重要的是，傳統(tǒng)3D生物打印過程速度較慢，而這款打印機的速度比傳統(tǒng)方法快350倍。

此外，傳統(tǒng)方法打印出來的細(xì)胞結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)移到實驗平板時，往往容易受損，影響細(xì)胞結(jié)構(gòu)的完整性。而這款打印機則能直接將細(xì)胞結(jié)構(gòu)打印到實驗平板上，從而能確保打印結(jié)構(gòu)的完整性和無菌性。

研究人員認(rèn)為，生物打印具有巨大潛力，但一直飽受效率低下和應(yīng)用范圍有限的困擾。最新技術(shù)在打印速度、產(chǎn)品精度和一致性方面取得了重大進步，為實驗室研究和臨床應(yīng)用之間搭建了一座橋梁。

未來，研究人員或?qū)幕颊呱砩喜杉M織樣本，打印出定制組織模型，并通過一系列藥物測試，篩選出最佳藥物，從而大幅提高新藥開發(fā)的效率，推進實現(xiàn)精準(zhǔn)醫(yī)療。

（2024年11月11日 劉霞 科技日報）

新方法可量化惡劣環(huán)境

對材料的影響

科技日報2024年11月11日報道， 美國伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校、桑迪亞國家實驗室及巴克內(nèi)爾大學(xué)團隊共同發(fā)現(xiàn)：從常見礦物白云母中獲取的研究成果，再結(jié)合地震統(tǒng)計模型，可以量化惡劣環(huán)境因素對材料性能的影響。這一發(fā)現(xiàn)對于先進太陽能電池板、地質(zhì)碳封存設(shè)施以及建筑、道路和橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施所用材料的選擇和設(shè)計具有重要意義。研究發(fā)表在最新一期《自然·通訊》雜志上。

該研究核心在于白云母這種礦物的獨特性質(zhì)。由于其表面平整至原子級別，使得團隊能夠精確測量材料表面與外界環(huán)境（如水和不同pH值的溶液）之間的相互作用，及其對材料強度的影響。通過使用納米壓痕儀對白云母樣本進行實驗，團隊能夠準(zhǔn)確記錄材料在不同化學(xué)條件下受到機械負(fù)載時的位移或破壞情況。

結(jié)果顯示，白云母在干燥條件下的變形能力要大于濕潤環(huán)境，且在堿性較強的溶液中，材料頂層更容易變?nèi)?。這些結(jié)果表明，化學(xué)環(huán)境顯著影響了材料的力學(xué)性能，從而可能加速材料的老化和損壞過程。

團隊指出，傳統(tǒng)方法在評估工程材料中化學(xué)機械弱化效應(yīng)時往往依賴復(fù)雜的分子動力學(xué)模型，需要大量的計算資源。相比之下，他們提供了一種更為高效的方法，即利用地震統(tǒng)計模型來預(yù)測材料性能，這不僅加快了材料失效測試的速度，也提高了實驗的效率。

該方法不僅為理解地質(zhì)過程提供了新的視角，也為開發(fā)耐久性更強、適應(yīng)各種極端條件的新型材料開辟了新途徑。

（2024年11月11日 張夢然 科技日報）

我國科學(xué)家研制出

新型氣凝膠材料

科技日報2024年11月12日報道， 記者從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校俞書宏院士團隊提出一種雙重防護材料的設(shè)計策略，設(shè)計并制備了一種兼?zhèn)鋭討B(tài)電磁波吸收性能和熱防護的功能碳彈簧（FCS）氣凝膠材料。相關(guān)研究成果10月21日在線發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《先進材料》。

電磁波污染和熱損傷對精密儀器構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，這一威脅在航空航天領(lǐng)域表現(xiàn)尤為顯著。功能性氣凝膠因其吸收電磁波和隔絕熱量的特性，提供了一種具有良好前景的解決方案。然而，優(yōu)化這兩種特性時常面臨著一個以往研究中常常被忽略的矛盾：熱防護效果與材料厚度呈正相關(guān)，而電磁波吸收只能在特定厚度下達(dá)到最佳效果。因此，目前的研究難以同時實現(xiàn)電磁波吸收效率和熱防護效果的平衡。

針對電磁波吸收與熱防護性能共同優(yōu)化中的關(guān)鍵沖突，研究團隊制備的FCS材料，以其獨特的仿足弓長程層狀多拱微觀結(jié)構(gòu)使其電磁波吸收性能可調(diào)，并具備優(yōu)異的熱防護能力。通過調(diào)整壓縮應(yīng)變從0%到50%，該材料的可調(diào)有效吸收帶寬可達(dá)13.4吉赫茲，覆蓋了測量頻譜的84%。值得注意的是，在75%應(yīng)變時，吸收帶寬降至0吉赫茲，展現(xiàn)出新穎的吸波“開—關(guān)”切換能力。其超低的垂直熱導(dǎo)率和“面內(nèi)高熱導(dǎo)，面外低熱導(dǎo)”的各向異性熱傳導(dǎo)機制賦予FCS卓越的熱防護效果。數(shù)值模擬表明，F(xiàn)CS在熱防護方面優(yōu)于常見的蜂窩結(jié)構(gòu)和各向同性多孔氣凝膠。此外，研究人員建立了“電磁—熱”雙重保護材料數(shù)據(jù)庫，直觀展示了該材料和設(shè)計策略的優(yōu)越性。

科研人員表示，這項研究成果不僅闡明了限制具有優(yōu)越電磁波吸收和熱防護特性的多功能氣凝膠材料發(fā)展的沖突，而且進一步提出了一個新的設(shè)計范式。其所提出的隔熱材料數(shù)據(jù)庫和“電磁—熱”雙重保護材料數(shù)據(jù)庫，也為直觀的性能比較提供了標(biāo)準(zhǔn)。

（2024年11月12日 吳長鋒 科技日報）

新型電化學(xué)反應(yīng)器從鹽水中

高效提取鋰

科技日報2024年11月15日報道，英國科學(xué)家研制出一種新型電化學(xué)反應(yīng)器，能從天然鹽水溶液中提取鋰。研究團隊表示，這種方法不僅實現(xiàn)了97.5%的高純度鋰提取，還大大降低了傳統(tǒng)提取方法帶來的環(huán)境風(fēng)險，對推動可再生能源儲存和電動汽車技術(shù)發(fā)展大有助力。相關(guān)論文發(fā)表于最新一期《美國國家科學(xué)院院刊》。

鋰作為可再生能源儲存和電動汽車電池的關(guān)鍵材料，其需求量與日俱增。但傳統(tǒng)礦石開采鋰的難度和成本不斷攀升，天然鹽水（地?zé)岘h(huán)境中發(fā)現(xiàn)的咸水）已成為一種極具潛力的鋰來源。

不過，天然鹽水中還含有鈉、鉀、鎂、鈣等離子。它們的化學(xué)性質(zhì)與鋰相似，使得傳統(tǒng)分離技術(shù)難以實現(xiàn)高選擇性提取，且能耗和化學(xué)廢物顯著增加。鹽水中的高濃度氯離子還可能在傳統(tǒng)電化學(xué)過程中產(chǎn)生有害的氯氣，進一步加劇了鋰提取過程的復(fù)雜性以及危險性。

在最新研究中，美國萊斯大學(xué)團隊研制出一種新型三室電化學(xué)反應(yīng)器，解決了這些難題。

與傳統(tǒng)方法不同，新反應(yīng)器增加了一個包含多孔固體電解質(zhì)的中間室，能通過控制鹽水通過時的離子流，有效防止發(fā)生不必要的反應(yīng)。同時，陽離子交換膜充當(dāng)氯離子的“守門人”，阻止它們到達(dá)電極區(qū)域，從而避免了氯氣的產(chǎn)生。位于電解槽另一側(cè)的專用鋰離子導(dǎo)電玻璃陶瓷膜則能選擇性地為鋰“放行”，同時攔截其他離子，顯著減少了天然鹽水中鉀、鎂、鈣等離子的干擾，實現(xiàn)了高選擇性鋰提取。

該反應(yīng)器提取鋰的純度達(dá)到97.5%，且極大減少了氯氣的產(chǎn)生，使鋰提取過程更加安全環(huán)保，有望改變從地?zé)猁u水等來源提取鋰的游戲規(guī)則。

此外，研究團隊觀察到，鈉離子容易在膜表面積聚，這會影響鋰的輸送效率并增加能耗。他們計劃通過調(diào)整電流水平、增加表面涂層等方法，進一步優(yōu)化反應(yīng)器的性能。

（2024年11月15日 劉霞 科技日報）

量子層面復(fù)雜“無序”

磁性材料問世

科技日報北2024年11月16日報道，《自然·通訊》雜志報道，英國伯明翰大學(xué)科學(xué)家開發(fā)出一種新方法，能夠創(chuàng)造出在量子層面具有復(fù)雜“無序”磁性的材料。這種基于釕框架的材料，滿足了“Kitaev量子自旋液體態(tài)”的要求，向制造和控制具有獨特新性質(zhì)的量子材料邁出了重要一步。

理論物理學(xué)家阿列克謝·基塔耶夫在2009年提出一個Kitaev模型，指出了關(guān)于量子自旋液體的一些基本原理。

人們在冰箱或公告板上常見的條形磁鐵就是鐵磁體，其中的電子相互作用，每個電子都像一個小磁鐵一樣相互吸引和排斥，使它們?nèi)恐赶蛲环较颍瑥亩a(chǎn)生磁力。而量子自旋液體材料的磁性并非如此。它們并不像鐵磁體那樣具有有序的特性，而是無序的，其中的電子量子糾纏過程在磁性上相互連接。

在這項新研究中，利用英國散裂中子源與繆子源實驗室和英國鉆石光源的專用儀器，研究團隊能夠證明，具有開放框架結(jié)構(gòu)的新型釕基材料，可以調(diào)節(jié)釕金屬離子之間的相互作用。在這些結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的磁性相互作用比在其他情況下要弱，這為科學(xué)家提供了更大的空間來調(diào)節(jié)它們的精確行為。

至關(guān)重要的是，這種材料具備的特性并不遵循經(jīng)典物理學(xué)定律，這意味著科學(xué)家能創(chuàng)造出與常規(guī)鐵磁體截然不同的磁性。

團隊表示，這項研究在理解如何設(shè)計新材料、探索物質(zhì)量子態(tài)方面邁出了重要一步，向人們展示了一個尚未被充分探索的“材料大家族”，幫助科學(xué)家設(shè)計具有獨特磁性的量子新材料。

（2024年11月16日 張佳欣 科技日報）