Eenvoudige bereiding van imidazool-gefunctionaliseerde nanovezels voor het verwijderen van cobalt uit gebruikte lithium-ionbatterijen

Oude batterijen veranderen in stedelijke mijnen

Het moderne leven draait op lithium-ionbatterijen, van telefoons tot elektrische auto’s. Wanneer deze batterijen verslijten, kunnen ze giftige metalen lekken — maar ze bevatten ook waardevolle elementen zoals cobalt. Deze studie onderzoekt een nieuw filtermateriaal gemaakt van ultradunne kunststofvezels die zijn bezet met kleine ringvormige moleculen. Samen werken ze als een slimme spons die cobalt uit complexe afvalvloeistoffen van gebruikte batterijen kan halen, wat helpt om batterijrecycling schoner en efficiënter te maken.

Waarom cobalt ertoe doet in een wereld op batterijen

Naarmate het aantal elektrische voertuigen en draagbare apparaten toeneemt, groeit ook de stapel gebruikte lithium-ionbatterijen. Als deze batterijen eenvoudig worden weggegooid, kunnen metalen zoals cobalt bodem en water vervuilen. Tegelijkertijd zijn diezelfde metalen kostbaar en eindig, waardoor oude batterijen een soort door de mens gemaakte ertslagen worden, of een “stedelijke mijn”. Terugwinning van cobalt is bijzonder belangrijk omdat het schaars, duur en centraal is in veel gangbare batterijontwerpen. Huidige recyclingsmethoden kunnen metalen scheiden, maar vergen vaak veel chemicaliën, werken langzaam of hebben moeite om cobalt te onderscheiden van soortgelijke metalen zoals lithium, nikkel en mangaan. Er is een groeiende behoefte aan slimmere materialen die zowel veel cobalt kunnen opnemen als de meeste andere metalen kunnen negeren.

Een slim filter bouwen van haarfijne vezels

De onderzoekers richtten zich op nanovezels — kunststofdraden duizenden malen dunner dan een mensenhaar — die een poreuze mat vormen. Ze begonnen met een gangbare polymeer genaamd polyacrylonitril, die gemakkelijk tot vezelvellen kan worden gesponnen en al in filters wordt gebruikt. Op zichzelf gaat dit materiaal nauwelijks een interactie aan met cobalt. Het team transformeerde het door in twee eenvoudige stappen speciale chemische groepen toe te voegen. Eerst bevestigden ze flexibele “armen” die rijk zijn aan stikstofatomen. Daarna koppelden ze kleine ringvormige eenheden, imidazolen genoemd, aan die armen. Deze ringen bevatten stikstofatomen die bijzonder goed binden aan cobaltionen. Microscopen en spectroscopie bevestigden dat de vezels intact bleven, ruw en poreuzer werden en gelijkmatig bedekt waren met stikstofrijke plaatsen die als aanlegplaatsen voor cobalt kunnen dienen.

Hoe de nieuwe vezels cobalt vangen en vasthouden

Wanneer het gemodificeerde vezelmatje in water met opgelost cobalt werd geplaatst, zoog het het metaal snel op en hield het een grote hoeveelheid vast in verhouding tot zijn eigen gewicht. Gedetailleerde testen toonden aan dat de opname een patroon volgde dat consistent is met een enkelvoudige laag van cobaltionen die een reeks equivalente bindingsplaatsen op het vezeloppervlak bedekt, met een maximale belading van ongeveer 95 milligram cobalt per gram materiaal. Het proces bereikte het grootste deel van zijn capaciteit binnen een paar uur en kwam overeen met modellen waarin chemische binding — in plaats van eenvoudige adsorptie aan het oppervlak — de snelheid bepaalt. Temperatuur- en andere metingen suggereerden dat cobaltionen een deel van hun waterschil afstaan en stabiele complexen vormen met de stikstofatomen op de imidazoolringen en nabijgelegen chemische verbindingen, waarbij water wordt vrijgegeven en de hechting aan het vezel meer geordend wordt.

Cobalt kiezen boven lithium en geschikt voor veelvuldig gebruik

Een belangrijke uitdaging in echte batterijrecycling is het selectief kiezen van cobalt uit een ‘soep’ die ook veel lithium bevat. In vergelijkende tests gaven de nieuwe nanovezels sterk de voorkeur aan cobalt: ze namen bijna twintig keer meer cobalt op dan lithium uit mengsels die lijken op die ontstaan wanneer batterijen in zuur worden opgelost, en de berekende selectiviteitsfactor voor cobalt ten opzichte van lithium was zeer hoog. Nadat de vezels met cobalt waren geladen, was een milde zuurspoeling voldoende om het cobalt te verwijderen en het materiaal te regenereren. Zelfs na zes gebruiks- en reinigingsrondes behielden de vezels nog meer dan vier vijfde van hun oorspronkelijke capaciteit. Deze duurzaamheid, gecombineerd met hun hoge opname en sterke voorkeur voor cobalt, maakt het materiaal veelbelovend voor herhaald gebruik in doorstroomfilters of gevulde kolommen.

Een stap richting schoner, circulair batterijgebruik

In alledaagse termen toont de studie een manier om een gewoon kunststoffilter om te vormen tot een uiterst selectieve “cobaltmagneet” met eenvoudige, schaalbare chemie. Door de snelle doorstroming en het grote oppervlak van nanovezelmatten te combineren met ringvormige moleculen die van nature goed zijn in het grijpen van cobalt, creëerden de onderzoekers een hulpmiddel dat kan helpen dit kritieke metaal terug te winnen uit complexe batterijafvalstromen. Als soortgelijke slimme filters worden aangepast en getest op fabrieksmatige vloeistoffen, zouden ze een meer circulaire batterij-economie kunnen ondersteunen, waarbij waardevolle metalen worden opgevangen en hergebruikt in plaats van verloren te gaan op stortplaatsen.

Bronvermelding: Sun, H., Shi, S., Li, Z. et al. Facile Preparation of imidazole-functionalized nanofibers for Cobalt removal from spent lithium-ion batteries. Sci Rep 16, 6884 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38276-2

Trefwoorden: batterijrecycling, cobaltterugwinning, nanovezelfilters, afvalwaterzuivering, kritieke metalen