Enkel framställning av imidazol-funktionaliserade nanofibrer för kopparborttagning från uttjänta litiumjonbatterier

Att förvandla gamla batterier till urbana gruvor

Moderna livet drivs av litiumjonbatterier, från telefoner till elbilar. När dessa batterier slutat fungera kan de läcka giftiga metaller—men de innehåller också värdefulla grundämnen som kobolt. Denna studie undersöker ett nytt filtermaterial gjort av ultratunna plastfibrer pyntade med små ringformade molekyler. Tillsammans fungerar de som en smart svamp som kan dra ut kobolt från komplicerade avfallsvätskor från använda batterier, vilket kan göra batteriåtervinning renare och mer effektiv.

Varför kobolt spelar roll i en batteridriven värld

Allt eftersom antalet elfordon och bärbara enheter ökar, växer även högen av uttjänta litiumjonbatterier. Om dessa batterier bara kastas bort kan metaller som kobolt förorena jord och vatten. Samtidigt är dessa metaller dyrbara och ändliga, vilket gör gamla batterier till en slags konstgjord malmkälla, eller en ”urban gruva”. Återvinning av kobolt är särskilt viktigt eftersom det är sällsynt, kostsamt och centralt i många vanliga batterikonstruktioner. Befintliga återvinningsmetoder kan skilja metaller åt, men kräver ofta stora mängder kemikalier, går långsamt eller har svårt att plocka ut kobolt från liknande metaller som litium, nickel och mangan. Det finns ett växande behov av smartare material som både kan fånga mycket kobolt och bortse från de flesta andra metaller.

Att bygga ett smart filter av hårtunna fibrer

Forskarlaget fokuserade på nanofibrer—plasts trådar tusentals gånger tunnare än ett mänskligt hår—som bildar en porös matta. De började med en vanlig polymer kallad polyakrylonitril, som är lätt att spinna till fiberark och redan används i filter. I sig interagerar detta material knappt med kobolt. Teamet transformerade det genom att lägga till speciella kemiska grupper i två enkla steg. Först fäste de flexibla ”armar” rika på kväveatomer. Därefter satte de små ringformade enheter kallade imidazoler på dessa armar. Dessa ringar har kväveatomer som är särskilt duktiga på att binda koboltjoner. Mikroskopi och spektroskopi bekräftade att fibrerna förblev intakta, blev grövre och mer porösa, och täcktes jämnt med kväverika platser som kan fungera som dockningsstationer för kobolt.

Hur de nya fibrerna fångar och håller kobolt

När den modifierade fibermattan placerades i vatten innehållande löst kobolt sög den snabbt upp metallen och höll en stor mängd i förhållande till sin egen vikt. Detaljerade tester visade att upptaget följde ett mönster som stämmer överens med ett enda lager av koboltjoner som täcker en uppsättning ekvivalenta bindningsställen på fiberytan, med en maximal lastning på cirka 95 milligram kobolt per gram material. Processen nådde större delen av sin kapacitet inom ett par timmar och överensstämde med modeller där kemisk bindning—snarare än enkel adsorption på ytan—styr hastigheten. Temperatur- och andra mätningar föreslog att koboltjonerna ger upp en del av sitt vattenskal och bildar stabila komplex med kväveatomerna i imidazolringarna och närliggande kemiska förbindelser, vilket frigör vatten och ger en mer ordnad bindning till fibrerna.

Att välja kobolt framför litium och hålla för många användningar

En viktig utmaning i verklig batteriåtervinning är att välja kobolt ur en soppa som också innehåller mycket litium. I jämförande tester föredrog de nya nanofibrerna kobolt starkt: de tog upp nästan tjugo gånger mer kobolt än litium från blandningar liknande dem som erhålls när batterier löses i syra, och den beräknade selektivitetsfaktorn för kobolt över litium var mycket hög. Efter att fibrerna blivit laddade med kobolt räckte en mild syraskölj för att avlägsna kobolten och regenerera materialet. Även efter sex cykler av användning och rengöring behöll fibrerna fortfarande mer än fyra femtedelar av sin ursprungliga kapacitet. Denna hållbarhet, kombinerad med deras höga upptag och starka preferens för kobolt, gör materialet lovande för upprepad användning i flödesfilter eller packade kolonner.

Steget mot renare, cirkulär batterianvändning

I vardagliga termer visar studien ett sätt att förvandla ett vanligt plastfilter till en högselektiv ”koboltmagnet” med hjälp av enkel, skalbar kemi. Genom att förena snabb genomströmning och stor yta hos nanofibermattor med ringformade molekyler som naturligt gillar att greppa kobolt, skapade forskarna ett verktyg som kan hjälpa till att återvinna detta kritiska metall ur komplexa batteriavfallsströmmar. Om liknande smarta filter anpassas och testas med verkliga fabriksstora vätskor kan de bidra till en mer cirkulär batteriekonomi, där värdefulla metaller fångas upp och återanvänds istället för att gå förlorade på deponier.

Citering: 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

Nyckelord: batteriåtervinning, koboltåtervinning, nanofiberfilter, avloppsvattenbehandling, kritiska metaller