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废旧锂离子电池

回收技术获突破

科技日报2024年11月10日报道，记者从昆明理工大学冶金与能源工程学院获悉，该院华一新教授团队近日在低共熔溶剂回收废旧锂离子电池领域取得重要研究进展，不仅为废旧电池的有效回收提供了新思路，也为全球锂离子电池市场的可持续发展注入了强劲动力。相关研究成果于5月3日发表在开放获取期刊《e科学》上。

随着全球锂离子电池市场的快速增长，废旧电池的处理问题日益凸显。废旧电池中蕴含的有价金属如锂、钴等若能得到有效回收，不仅能缓解原材料枯竭的压力，还能显著降低环境污染。然而，传统的回收方法存在诸多难题，如锂在水溶液中难以沉淀、需添加多种沉淀剂回收过渡金属等。

为此，昆明理工大学教授华一新、副教授汝娟坚等人有针对性地提出了基于水平衡调节低共熔溶剂中离子竞争配位的创新策略。该策略通过精准调控溶剂中的水分含量，实现了材料循环与溶剂循环的双循环回收，有效提高了废旧电池中有价金属的回收效率。

该团队首次在低共熔溶剂中实现了锂的优先提取及钴的精准分离。这一突破性进展得益于氯化胆碱—草酸—水低共熔溶剂的独特优势，其低黏度、高溶解性和选择性析出含锂化合物的特性，使得锂的优先提取成为可能。更重要的是，整个过程中无须添加还原剂和沉淀剂，大大降低了回收成本和环境风险。

此外，团队还首次系统分析了水含量对低共熔溶剂中离子竞争配位的调节机制。通过分子动力学模拟，揭示了水含量及浸出温度对离子竞争配位的影响，进一步阐明了锂的优先析出和钴的精准分离机理。这一成果，不仅为废旧电池中有价金属的回收提供了理论支撑，还为其他类型电池材料的回收提供了借鉴。

目前，这一创新策略已成功广泛用于多种锂离子电池正极材料的回收，为废旧电池材料的资源化利用开辟了新路径。“我们有理由相信，未来随着新技术的不断推广和应用，废旧电池将不再是‘废物’，而是宝贵的资源，为绿色可持续发展贡献力量。”华一新说。

（2024年11月10日 赵汉斌 科技日报）

高速3D生物打印机面世

科技日报2024年11月11日报道，澳大利亚墨尔本大学科学家研制出一款新型高速3D打印机。这款先进的生物打印机利用“动态界面打印”技术，巧妙借助声波，能在几秒内快速精准构建并打印出3D细胞结构。相关论文发表于新一期《自然》杂志。

研究人员表示，这项技术为癌症研究提供了一种精准复制特定人体器官和组织的利器，将极大提升预测和开发新型药物疗法的潜力，显著降低对动物实验的需求，为药物发现开辟一条更先进且合乎道德的新路径。此外，该技术也有助为患者提供量身定制的个性化治疗方案。

研究人员解释称，传统的3D生物打印是一个缓慢而精细的过程，需要逐层堆叠细胞。然而，这些细胞往往很难“精准就位”，导致难以打印出准确的人体组织结构。

而新型打印机则能利用振动气泡产生的声波，对细胞进行精准操控和排列，从而创建出精确而复杂的3D组织结构。

更重要的是，传统3D生物打印过程速度较慢，而这款打印机的速度比传统方法快350倍。

此外，传统方法打印出来的细胞结构在转移到实验平板时，往往容易受损，影响细胞结构的完整性。而这款打印机则能直接将细胞结构打印到实验平板上，从而能确保打印结构的完整性和无菌性。

研究人员认为，生物打印具有巨大潜力，但一直饱受效率低下和应用范围有限的困扰。最新技术在打印速度、产品精度和一致性方面取得了重大进步，为实验室研究和临床应用之间搭建了一座桥梁。

未来，研究人员或将从患者身上采集组织样本，打印出定制组织模型，并通过一系列药物测试，筛选出最佳药物，从而大幅提高新药开发的效率，推进实现精准医疗。

（2024年11月11日 刘霞 科技日报）

新方法可量化恶劣环境

对材料的影响

科技日报2024年11月11日报道， 美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校、桑迪亚国家实验室及巴克内尔大学团队共同发现：从常见矿物白云母中获取的研究成果，再结合地震统计模型，可以量化恶劣环境因素对材料性能的影响。这一发现对于先进太阳能电池板、地质碳封存设施以及建筑、道路和桥梁等基础设施所用材料的选择和设计具有重要意义。研究发表在最新一期《自然·通讯》杂志上。

该研究核心在于白云母这种矿物的独特性质。由于其表面平整至原子级别，使得团队能够精确测量材料表面与外界环境（如水和不同pH值的溶液）之间的相互作用，及其对材料强度的影响。通过使用纳米压痕仪对白云母样本进行实验，团队能够准确记录材料在不同化学条件下受到机械负载时的位移或破坏情况。

结果显示，白云母在干燥条件下的变形能力要大于湿润环境，且在碱性较强的溶液中，材料顶层更容易变弱。这些结果表明，化学环境显著影响了材料的力学性能，从而可能加速材料的老化和损坏过程。

团队指出，传统方法在评估工程材料中化学机械弱化效应时往往依赖复杂的分子动力学模型，需要大量的计算资源。相比之下，他们提供了一种更为高效的方法，即利用地震统计模型来预测材料性能，这不仅加快了材料失效测试的速度，也提高了实验的效率。

该方法不仅为理解地质过程提供了新的视角，也为开发耐久性更强、适应各种极端条件的新型材料开辟了新途径。

（2024年11月11日 张梦然 科技日报）

我国科学家研制出

新型气凝胶材料

科技日报2024年11月12日报道， 记者从中国科学技术大学获悉，该校俞书宏院士团队提出一种双重防护材料的设计策略，设计并制备了一种兼备动态电磁波吸收性能和热防护的功能碳弹簧（FCS）气凝胶材料。相关研究成果10月21日在线发表于国际学术期刊《先进材料》。

电磁波污染和热损伤对精密仪器构成了严重威胁，这一威胁在航空航天领域表现尤为显著。功能性气凝胶因其吸收电磁波和隔绝热量的特性，提供了一种具有良好前景的解决方案。然而，优化这两种特性时常面临着一个以往研究中常常被忽略的矛盾：热防护效果与材料厚度呈正相关，而电磁波吸收只能在特定厚度下达到最佳效果。因此，目前的研究难以同时实现电磁波吸收效率和热防护效果的平衡。

针对电磁波吸收与热防护性能共同优化中的关键冲突，研究团队制备的FCS材料，以其独特的仿足弓长程层状多拱微观结构使其电磁波吸收性能可调，并具备优异的热防护能力。通过调整压缩应变从0%到50%，该材料的可调有效吸收带宽可达13.4吉赫兹，覆盖了测量频谱的84%。值得注意的是，在75%应变时，吸收带宽降至0吉赫兹，展现出新颖的吸波“开—关”切换能力。其超低的垂直热导率和“面内高热导，面外低热导”的各向异性热传导机制赋予FCS卓越的热防护效果。数值模拟表明，FCS在热防护方面优于常见的蜂窝结构和各向同性多孔气凝胶。此外，研究人员建立了“电磁—热”双重保护材料数据库，直观展示了该材料和设计策略的优越性。

科研人员表示，这项研究成果不仅阐明了限制具有优越电磁波吸收和热防护特性的多功能气凝胶材料发展的冲突，而且进一步提出了一个新的设计范式。其所提出的隔热材料数据库和“电磁—热”双重保护材料数据库，也为直观的性能比较提供了标准。

（2024年11月12日 吴长锋 科技日报）

新型电化学反应器从盐水中

高效提取锂

科技日报2024年11月15日报道，英国科学家研制出一种新型电化学反应器，能从天然盐水溶液中提取锂。研究团队表示，这种方法不仅实现了97.5%的高纯度锂提取，还大大降低了传统提取方法带来的环境风险，对推动可再生能源储存和电动汽车技术发展大有助力。相关论文发表于最新一期《美国国家科学院院刊》。

锂作为可再生能源储存和电动汽车电池的关键材料，其需求量与日俱增。但传统矿石开采锂的难度和成本不断攀升，天然盐水（地热环境中发现的咸水）已成为一种极具潜力的锂来源。

不过，天然盐水中还含有钠、钾、镁、钙等离子。它们的化学性质与锂相似，使得传统分离技术难以实现高选择性提取，且能耗和化学废物显著增加。盐水中的高浓度氯离子还可能在传统电化学过程中产生有害的氯气，进一步加剧了锂提取过程的复杂性以及危险性。

在最新研究中，美国莱斯大学团队研制出一种新型三室电化学反应器，解决了这些难题。

与传统方法不同，新反应器增加了一个包含多孔固体电解质的中间室，能通过控制盐水通过时的离子流，有效防止发生不必要的反应。同时，阳离子交换膜充当氯离子的“守门人”，阻止它们到达电极区域，从而避免了氯气的产生。位于电解槽另一侧的专用锂离子导电玻璃陶瓷膜则能选择性地为锂“放行”，同时拦截其他离子，显著减少了天然盐水中钾、镁、钙等离子的干扰，实现了高选择性锂提取。

该反应器提取锂的纯度达到97.5%，且极大减少了氯气的产生，使锂提取过程更加安全环保，有望改变从地热卤水等来源提取锂的游戏规则。

此外，研究团队观察到，钠离子容易在膜表面积聚，这会影响锂的输送效率并增加能耗。他们计划通过调整电流水平、增加表面涂层等方法，进一步优化反应器的性能。

（2024年11月15日 刘霞 科技日报）

量子层面复杂“无序”

磁性材料问世

科技日报北2024年11月16日报道，《自然·通讯》杂志报道，英国伯明翰大学科学家开发出一种新方法，能够创造出在量子层面具有复杂“无序”磁性的材料。这种基于钌框架的材料，满足了“Kitaev量子自旋液体态”的要求，向制造和控制具有独特新性质的量子材料迈出了重要一步。

理论物理学家阿列克谢·基塔耶夫在2009年提出一个Kitaev模型，指出了关于量子自旋液体的一些基本原理。

人们在冰箱或公告板上常见的条形磁铁就是铁磁体，其中的电子相互作用，每个电子都像一个小磁铁一样相互吸引和排斥，使它们全部指向同一方向，从而产生磁力。而量子自旋液体材料的磁性并非如此。它们并不像铁磁体那样具有有序的特性，而是无序的，其中的电子量子纠缠过程在磁性上相互连接。

在这项新研究中，利用英国散裂中子源与缪子源实验室和英国钻石光源的专用仪器，研究团队能够证明，具有开放框架结构的新型钌基材料，可以调节钌金属离子之间的相互作用。在这些结构中产生的磁性相互作用比在其他情况下要弱，这为科学家提供了更大的空间来调节它们的精确行为。

至关重要的是，这种材料具备的特性并不遵循经典物理学定律，这意味着科学家能创造出与常规铁磁体截然不同的磁性。

团队表示，这项研究在理解如何设计新材料、探索物质量子态方面迈出了重要一步，向人们展示了一个尚未被充分探索的“材料大家族”，帮助科学家设计具有独特磁性的量子新材料。

（2024年11月16日 张佳欣 科技日报）