利好电池 镍全新冶炼方法登上Nature!!!

电动汽车电池等需求将推动全球镍消费量从300万吨/年增至2040年600万吨/年。当前镍生产面临资源结构失衡、高碳排放、工艺复杂、能耗高、技术局限性等多重挑战。例如全球60%镍供应依赖硫化矿（1.5–4 wt% Ni），但其储量仅占陆地镍资源的40%，且逐渐枯竭；60%镍资源为红土矿（平均1.5 wt% Ni），但镍以复杂硅酸盐（如蛇纹石）或铁氧化物形式存在，难以高效提取。现有火法冶金（如RK-EF/高炉）使用焦炭或煤作为还原剂，每吨镍产生45吨CO₂（HPAL法为14吨，硫化矿处理为6吨），远超钢铁生产（2.3吨CO₂/吨钢）。镍生产平均碳排放达20–27吨CO₂/吨镍，是钢铁的10倍，成为环境负担最重的金属之一。

德国马普可持续材料研究所I. R. Souza Filho等人通过氢等离子体技术革新镍冶金流程，实现了选择性的镍还原，得到杂质极低（硅含量<0.04wt%，磷含量约0.01 wt%，钙含量<0.09wt%）的合金，无需进一步精炼。所提出的这种方法有望比现有做法提高约18%的能源效率，同时减少高达84%的直接二氧化碳排放。解决了传统工艺的高排放、高能耗与资源限制问题，为全球能源转型中镍的可持续供应提供了关键技术路径。研究成果以Sustainable nickel enabled by hydrogen-based reduction为题发表于Nature。

氢等离子体熔融还原法主要创新点在于

1：单步冶金工艺整合

传统镍生产需多步骤（煅烧、熔炼、还原、精炼），而氢等离子体熔融还原（HPSR）将全部流程整合为单一冶金步骤，在一个炉内完成。这大幅缩短流程、降低能耗，并减少设备复杂度。

2：节能环保

零碳还原剂：使用氢等离子体（H₂、H⁺、H）替代传统碳基还原剂（如焦炭），消除直接CO₂排放。若氢能来源于可再生能源，则整个工艺可实现碳中和。

能耗降低18%：整合流程减少能量损失（如传统工艺中煅烧炉与电弧炉间的热能损失）

CO₂减排84%：对比传统工艺（45吨CO₂/吨镍），HPSR每吨镍排放仅约7.2吨，若使用绿氢则趋近于零。

3.低品位红土镍矿高效利用

处理复杂矿物：针对红土矿中镍以镁硅酸盐或铁氧化物形式存在的难点，HPSR通过熔融态离子化打破矿物晶体结构，实现镍的高效提取。

资源可持续性：全球60%镍资源为低品位红土矿，HPSR技术减少对高品位硫化矿的依赖，延长资源寿命。

4.高选择性还原与合金纯度

热力学控制：通过调控炉内气氛（如Ar-H₂比例）和温度，优先还原镍而非铁或杂质（如Si、Ca、P），直接产出高纯度镍铁合金（镍含量可达97.3%）。

免精炼：合金杂质含量极低（如Si <0.04 wt%、P≈0.01 wt%），无需后续精炼步骤。

图1: 从天然矿石中生产镍

图2：揭示相变

图3: 高品位镍铁生产的最佳热力学成分区间，金属液滴的凝固样品和显微结构

图4：Fe–Ni二元产品合金中Ni品位和回收率。

图5：传统RK-EF路线和HPSR替代方案的二氧化碳排放量和能效比较分析。

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