利好電池 鎳全新冶煉方法登上Nature!!!

電動汽車電池等需求將推動全球鎳消費量從300萬噸/年增至2040年600萬噸/年。當前鎳生產面臨?資源結構失衡、高碳排放、工藝復雜、能耗高、技術局限性?等多重挑戰。例如全球60%鎳供應依賴硫化礦（1.5–4 wt% Ni），但其儲量僅占陸地鎳資源的40%，且逐漸枯竭；60%鎳資源為紅土礦（平均1.5 wt% Ni），但鎳以復雜硅酸鹽（如蛇紋石）或鐵氧化物形式存在，難以高效提取。現有火法冶金（如RK-EF/高爐）使用焦炭或煤作為還原劑，每噸鎳產生?45噸CO?（HPAL法為14噸，硫化礦處理為6噸），遠超鋼鐵生產（2.3噸CO?/噸鋼）。鎳生產平均碳排放達?20–27噸CO?/噸鎳，是鋼鐵的10倍，成為環境負擔最重的金屬之一。

德國馬普可持續材料研究所I. R. Souza Filho等人通過氫等離子體技術革新鎳冶金流程，實現了選擇性的鎳還原，得到雜質極低（硅含量<0.04wt%，磷含量約0.01 wt%，鈣含量<0.09wt%）的合金，無需進一步精煉。所提出的這種方法有望比現有做法提高約18%的能源效率，同時減少高達84%的直接二氧化碳排放。解決了傳統工藝的高排放、高能耗與資源限制問題，為全球能源轉型中鎳的可持續供應提供了關鍵技術路徑。研究成果以Sustainable nickel enabled by hydrogen-based reduction為題發表于Nature。

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氫等離子體熔融還原法主要創新點在于

1：單步冶金工藝整合

傳統鎳生產需多步驟（煅燒、熔煉、還原、精煉），而氫等離子體熔融還原（HPSR）將全部流程整合為單一冶金步驟，在一個爐內完成。這大幅縮短流程、降低能耗，并減少設備復雜度。

2：節能環保

零碳還原劑：使用氫等離子體（H?、H?、H）替代傳統碳基還原劑（如焦炭），消除直接CO?排放。若氫能來源于可再生能源，則整個工藝可實現碳中和。

能耗降低18%：整合流程減少能量損失（如傳統工藝中煅燒爐與電弧爐間的熱能損失）

CO?減排84%：對比傳統工藝（45噸CO?/噸鎳），HPSR每噸鎳排放僅約7.2噸，若使用綠氫則趨近于零。

3.?低品位紅土鎳礦高效利用

處理復雜礦物：針對紅土礦中鎳以鎂硅酸鹽或鐵氧化物形式存在的難點，HPSR通過熔融態離子化打破礦物晶體結構，實現鎳的高效提取。

資源可持續性：全球60%鎳資源為低品位紅土礦，HPSR技術減少對高品位硫化礦的依賴，延長資源壽命。

4.?高選擇性還原與合金純度

熱力學控制：通過調控爐內氣氛（如Ar-H?比例）和溫度，優先還原鎳而非鐵或雜質（如Si、Ca、P），直接產出高純度鎳鐵合金（鎳含量可達97.3%）。

免精煉：合金雜質含量極低（如Si <0.04 wt%、P≈0.01 wt%），無需后續精煉步驟。

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圖1: 從天然礦石中生產鎳

圖2：揭示相變

圖3: 高品位鎳鐵生產的最佳熱力學成分區間，金屬液滴的凝固樣品和顯微結構

圖4：Fe–Ni二元產品合金中Ni品位和回收率。

圖5：傳統RK-EF路線和HPSR替代方案的二氧化碳排放量和能效比較分析。

論文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-025-08901-7