国重朱鸿民教授团队最新Nature论文

4月13日，Nature以“A solid-state electrolysis process for upcycling aluminium scrap”为题在线发表了钢铁冶金新技术国家重点实验室朱鸿民教授团队的最新研究成果。该研究提出了一种固态电解(SSE)工艺，使用熔盐电解回收废铝，生产出纯度与原铝相当的再生铝。此外，据估计，工业化SSE的能耗不到原铝生产过程的一半。通过低能耗、高效率地回收铝废料，将满足我们对高等级铝的需求、有望实现真正可持续性的铝循环。

【主要内容】

铝与铁和铜一样，是社会上广泛使用的三大基础金属之一。除铝土矿电解生产的原铝外，世界铝循环中52%的铝合金为再生铝合金。在工业中，铝通常与硅、铜、镁和其他元素一起合金化。铝合金基本上分为两种类型：锻造合金通常含有约5%的合金元素，而铸造合金含有6%到27%。铝的化学性质使得依靠传统再熔工艺无法除去废旧铝中的合金元素。因此目前的铝回收再生只能是降级使用。其中主要用于以汽车发动机为代表的铸造合金。未来，电动汽车的发展将大幅度的降低这一类铸造合金的需求而转向对于高纯度铝的需求。因此铝的回收再生策略也自然需要做根本的改变。如果保持目前的铝再生方式预测到2040年将有360万吨二次铝成为无法再使用的“死金属”。

对于高纯度金属铝的生产，目前已经有两种非常成熟而且正在广泛使用的精炼铝的方式：（1）被称为Hoopes的三层液电解法；（2）偏析法。这两种方式都可以获得纯度达99.9%以上的高纯铝。但是，这两种方式都无法处理高杂质含量的废铝，尤其是高硅（Si）含量的铸造合金。

为了通过升级回收废旧铝来实现铝的真正可持续性，本研究开发了以熔融盐为电解质的新型固态电解（SSE）铝工艺。为了确保废铝保持固态，熔融盐电解质的熔点必须低于铝合金的熔点，典型的Al-Si-Cu铸造铝合金约为580℃。此外，熔盐电解质还具有电导率高、电化学电位窗口宽、操作方便、成本低等优点。碱金属氯化物、碱土金属氯化物或它们的混合物是很有前途的SSE电解质，它们具有广泛的电化学电位窗口和相对较低的成本。考虑到上述要求，该项研究中使用了两种不同的电解质，MgCl₂-NaCl-KCl（47.1 mol% MgCl₂-30.2 mol% NaCl-22.7 mol% KCl: 385℃）和LiCl-KCl（58.6 mol% LiCl-41.4 mol% KCl: 353℃）。

SSE工艺的最重要特点是可以高效分离合金元素。电解实验结果表明，废铝的纯度从电解前的约90%提高到了电解后的99.9%，同时硅、铜等典型合金元素被分离到阳极残余物（阳极泥）中。根据阳极泥中的铝残留量和在阴极上的铝沉积量，计算出阳极铝合金中95%的铝以阴极沉积物形式被回收。同时，据估算，工业化的SSE工艺能耗仅为原铝生产的一半以下。

以废铝为原料，仅使用不到原铝生产一半的能耗，生产出纯度与原铝相当的再生铝，SSE工艺基于熔融盐电解原理，具有巨大的工业化应用潜力。特别是成熟的熔盐电解工业技术，为SSE工艺的规模扩大和工业应用提供了指导。本研究的结果证明了SSE的技术优势，包括其去除杂质的能力和低能耗。考虑到未来铝市场中可能出现的各种挑战，本文的SSE工艺所代表的技术为走向真正可持续的铝供应铺平了道路，有望成为工业层面上实现真正可持续性发展的模型。

【文献信息】

Xin Lu, Zhengyang Zhang, Takehito Hiraki, Osamu Takeda, Hongmin Zhu1, Kazuyo Matsubae, Tetsuya Nagasaka, A solid-state electrolysis process for upcycling aluminium scrap, 2022, Nature.

https://doi.org/10.1038/s41586-022-04748-4

作者信息：

通讯作者 朱鸿民教授· 钢铁冶金新技术国家重点实验室，日本东北大学

第一作者 卢鑫 助理教授 日本东北大学