【2025年05月27日訊】（記者吳瑞昌綜合報導）鑑於當代科技對於鋰電池相關產品需求持續增長，而生產鋰電池所需的鎳、鈷和鋰等金屬，則需要耗費大量能源和容易造成環境污染。這次，德國的科學家開發一種高效鎳金屬提煉方法，能顯著降低污染與耗能。
除了鋰電池之外，不鏽鋼與其它合金在日常生活用品、製船業、基礎設施、運輸系統中被廣泛應用，而它們均需使用大量鎳金屬。另外，鎳金屬還具有鐵磁性、氧化緩慢與耐腐蝕性等特性，被用於永磁體、合金和一些高溫合金上。
有報告預估，至2040年人們對於鎳的需求量將增長至600萬噸，原因在於基礎設施和運輸系統電氣化程度不斷地提高。然而，從低品質鎳礦（占當前鎳總儲量的60%）提煉鎳金屬，所需耗費的能源和產生的二氧化碳為高品質鎳礦的數倍，引發一些人的擔憂。
由於傳統鎳礦提煉過程，涉及煅燒、冶煉、精煉等多個階段，皆耗能巨大。為追求生產效益，工廠大多會選用高品質鎳礦石，原因是低品質鎳礦石裡面的鎳含量不僅少，且富含矽酸鎂、硫、鐵、鋁、黏土等大量雜質，導致提煉過程中所需的能源、化學試劑和成本均大幅增加。
這次，擁有100多年歷史的德國馬克斯普朗克學會永續材料研究所（MPI-SusMat）研究人員開發一種節能、低碳且高效的新方法，該方法不僅繞過傳統的鎳（Ni）礦提煉過程，還能從那些容易被忽略的低品質鎳礦石（高雜質紅土鎳礦）中，快速萃取出鎳鐵合金。
該研究成果於4月30日發表到《自然》雜誌上，共獲得1.8萬次觀看和10多家科技新聞媒體報導。
研究團隊利用「氫等離子體熔融還原法」（HPSR）取代傳統的碳基還原工藝，使反應爐中的低品質鎳礦石中的晶體結構，分解成更簡單的鐵、鎳離鎂、氧和氧化矽離子物質，整個過程無需任何催化劑，僅需要加入氬氣（Ar）和少量氫氣（H2）即可完成還原工作。
「氫等離子體熔融還原法」是一種通過電弧或高頻電場將氫氣進行電離，過程中數千攝氏度的氫離子體，會將金屬礦石中的金屬氧化物還原成液態金屬，便於分離和收集，因此常用於提取礦石中的鐵、鎳等金屬，其副產物為水蒸氣。
隨後在反應爐中，同時進行冶煉、還原和精煉過程，形成「單一冶金步驟」。該方法提煉過程只需要2到4分鐘，即可將高雜質紅土鎳礦石還原成雜質少、純度高的鎳鐵合金（其鎳含量可達44wt%、鐵含量55wt%、矽含量少於0.04wt%、磷含量約0.01wt%、鈣含量少於0.09wt%）。
此外，該種方法不僅可以減少84%的二氧化碳排放量，還能使用再生電力和氫氣進行驅動，能源效率整體提高18%。同時拓寬可用鎳礦範圍，使低品質鎳礦開採更具成本效益和永續性，並促進運輸業電氣化發展進程。
研究人員表示，這些經過還原的高純度鎳合金，可直接用於不銹鋼、磁鐵合金生產上，無需額外耗能的精煉處理。若進一步精煉這些高純度鎳合金，可直接用作鋰電池電極材料。另外，還原過程中產生的爐渣，還可製成建築業常用的磚塊和水泥。
他們還表示，新的提煉方法也適用於提煉鈷金屬，該金屬目前被廣泛用於電動車和儲能系統。他們計劃下一步優化生產流程與規模，讓該技術能夠實際應用於工業上，同時也讓低品質鎳礦能得到更廣泛的利用。
該論文的第一作者、永續材料研究所博士研究員烏拜德‧曼蘇爾（Ubaid Manzoor）對該協會的新聞室解釋道，「如果我們繼續以傳統方式生產鎳並用於電氣化，這方式只是在轉移問題而不是解決問題。」
該論文的通訊作者、永續材料研究所「可持續材料合成」小組負責人伊斯納爾迪‧索薩‧菲略（Isnaldi Souza Filho）教授則表示，「這次，我們透過氫等離子體控制電弧爐內的熱力學過程，使低品質鎳礦中的複雜礦物結構，能夠在沒有催化劑的情況下，分解成更簡單的金屬離子。」
曼蘇爾解釋道，「該種方式是讓鎳礦石在反應界面上，還原成更簡單的離子，且確保未還原的部分能夠持續反應。這種反應可透過高電流短弧、爐子下方整合外部電磁攪拌裝置，或氣體注入方式來實現。」
該研究由歐洲研究理事會（ERC）的高級撥款資助。
