利用镍-钴催化控制将废旧锂离子电池和塑料共升级为吸收微波材料

把废旧电池和塑料垃圾变成有用的屏蔽材料

成堆的报废电动汽车电池和塑料包装是当今最令人担忧的两大垃圾问题。本研究展示了一种同时应对二者的方法：将废弃锂离子电池和混合塑料垃圾转化为一种能够吸收不需要微波的新材料。此类材料对于减少电子干扰和提升隐身技术很重要，而这种方法在回收有价金属和减少污染的同时，还能制备高价值产品。

为何电池和塑料废物难以处理

电动汽车中的锂离子电池通常只能使用五到八年便需更换，留下大量含镍、钴、锰和锂等关键金属的报废电池包。与此同时，全球每年生产超过3.8亿吨塑料，许多塑料难以降解并污染陆地和海洋。传统的处置方法——如焚烧塑料或熔炼电池——耗能大、排放温室气体和有毒烟雾，且常常只回收粗量金属，而非创造更高附加值的产物。

把废料一起“烹调”成微小管状结构

研究人员设计了一种工艺，将破碎的电池正极粉末与混合塑料在封闭的钢反应器中一同加热。一个关键成分是常见的饮料瓶塑料聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET），它与聚乙烯和聚丙烯等其他塑料混合。当温度升到约550°C时，塑料裂解生成气体，这些气体既能还原电池材料中的金属氧化物，又提供碳源。镍和钴原子聚集成非常小的颗粒，而锂以碳酸锂形式逸出，随后可用水洗提取。

PET如何保持金属的活性

在许多塑料转碳的过程中，金属催化剂会很快被厚厚的碳层覆盖而“窒息”，导致反应停止。在这里，PET改变了生成气体的组成，使碳不会单纯堆积。它的裂解产生一氧化碳和二氧化碳，有助于去除无序碳，同时仍允许富碳气体促进有序碳纳米管的生长。形成的碳酸锂还起到隔离剂的作用，阻止镍–钴颗粒长大到约100纳米以上。这样的尺寸控制保持了金属的高活性，并引导出与微小金属和锰氧化物颗粒交织在一起的高密度纳米管“森林”。

从黑色粉末到微波屏蔽体

在初步的“共热解”步骤之后，固体产物在惰性气氛下被短时再次加热到约800°C。第二次处理清除残留的毛状碳并改善纳米管的有序性和电导率。最终材料是一种轻质复合体，金属和金属氧化物颗粒嵌入在多壁碳纳米管形成的导电网络中。在常见的雷达和通信频段测试时，将该粉末与简单粘结剂混合涂覆，表现出强烈的微波吸收性能。在约2.4毫米的涂层厚度下，它能在宽达7 GHz的频带上吸收超过90%的入射波，且在某些频率处吸收深度更大。

环境与经济效益

除了实验室性能外，团队还评估了这种共热解升级路径与三种主要工业回收方法的比较：高温熔炼、化学浸出和正极直接再生。通过生命周期分析和电池回收模型，他们发现共热解方法在处理每公斤废料时消耗更少的能源和水，并产生远低得多的温室气体排放。该方法还避免了强矿酸的使用，能通过简单的水浸出回收碳酸锂。由于最终产物是高价值的微波吸收材料，根据他们的模型，该工艺可以产生明显高于传统回收路线的利润。

这对日常生活意味着什么

简而言之，这项研究表明，昨日的电动汽车电池和一次性塑料可以变成用于管理电磁波的高科技屏蔽材料。通过智能地控制塑料裂解的方式以及金属颗粒在加热过程中的行为，研究者将混合垃圾转化为既能回收关键金属又能作为强效微波吸收剂的细黑色粉末。这为减少废物、降低气候影响并从本将被丢弃的资源中创造先进材料提供了切实可行的途径。

引用: Qiu, B., Hou, Y., Shi, Z. et al. Co-upcycling spent lithium-ion batteries and plastics into microwave absorbing materials with Ni-Co catalyst control. Nat Commun 17, 2822 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69501-1

关键词: 锂离子电池回收, 塑料垃圾升级利用, 碳纳米管, 吸收微波材料, 循环经济