与铁和铜一样，铝是社会上广泛使用的三种主要贱金属之一。除了使用熔融电解法从铝土矿生产的原铝外，估计世界铝循环中52%的铝合金锭是再生铝合金锭。尽管铝是一种非常容易回收的金属，但在当前使用重熔的回收过程中，铝不可避免地被降级。这是因为提炼消费后的铝废料很困难。迄今为止，铝回收的成功依赖于对降级铝的强劲需求。在工业上，铝通常与硅、铜、镁和其他元素形成合金。铝合金基本上分为两类:锻造合金通常含有大约5%的合金元素，而铸造合金含有6-27%，比锻造合金的范围要宽得多。铝的活性化学性质使得从重熔铝屑中去除合金元素几乎是不可能的。因此，随着连续几轮回收，合金元素的积累是不可避免的，这意味着回收的铝不符合锻造合金所需的严格成分规格。这种降级再生铝的最终归宿是铸造铝合金。由于铝铸造合金广泛用于生产内燃机车(ICEVs)的发动机缸体和变速箱，汽车行业在全球铝铸造合金市场占据主导地位，份额为52.2%。在可预见的未来，目前的铝回收系统不会突然崩溃。然而，随着内燃机车向电动汽车的转变，内燃机车对发动机缸体和其他铝铸件的需求预计会下降。这将导致铝循环的不平衡和二次铝过剩。这种铝将成为“死金属”。在图1所示的2040年情景中，预测除非开发和实施创新的铝回收技术，否则360万吨再生铝将成为“死金属”。对高等级铝需求的增加，以及将铝降级为需求不断减少的材料的回收体系，这两者的综合效应是不可持续的。在最近一次关于材料循环的讨论中，有研究者提出了基于炼油技术局限性的挑战。虽然对回收系统的缺点提出了宝贵的见解，但讨论仅限于目前使用的冶金工艺。无可争议的是，如果目前的体系继续发展下去，铝危机的风险确实存在。然而，随着创新的废料精炼技术的引入，预计铝流量将发生巨大变化。使用传统的真空蒸馏工艺或氧化物基或氯化物基熔剂处理，无法从铝中选择性去除典型的合金元素。目前只有两种工业化技术能够提炼铝:一种是被称为胡普斯法的三层电解法，另一种是分离法。这两种工艺都用于原铝的选择性提质。在前一种情况下，液态铝铜合金(阳极)、熔盐(电解质)和液态纯铝(阴极)自下而上形成比重不同的三层液态结构。使用这种方法，纯度为99.5%的铝可以提纯到99.99%，但是由于铝和硅的密度相似，硅与铝一起向上移动，没有被去除。偏析法利用合金元素在固态和液态铝中溶解度的差异。在获得高纯度铝之前，这一过程需要反复熔化和极其缓慢的冷却步骤。当铸造合金加入到这一过程中时，由于高含量的浓缩合金元素，大部分的铝是不能使用的。由于这些限制，这两种方法不适合精炼废铝。为了开发提炼废铝的新技术，已经进行了多次实验室规模的尝试。Schwartz在1995年提出的用于净化熔融铝合金的电解池使用了一种特殊的隔膜，但是尽管多年来一直在努力寻找一种能够承受工业生产的隔膜，仍然没有突破。最近，两种离子液体和富含AlCl的盐已经在大约150℃的低温电解过程中用于精炼铝。虽然有希望，但因为离子液体的电导率比熔融盐的电导率低两个数量级以上，所以在电解过程中大量的能量损失在焦耳加热上。工业应用的另一个障碍是离子液体的极高成本。此外，富含AlCl的盐的高挥发性使得它们不适合用于废铝的连续电解。
如今，利用重熔技术回收铝废料会降低铝的质量，这种降级回收铝的最终用途是铸造铝合金。随着消费者选择电池供电的电动汽车而非内燃机汽车，预计对高等级铝的需求将会增加，同时对低等级再生铝的需求将会下降，这种铝主要用于生产内燃机。为了满足未来对高级铝的需求，需要一种新的铝回收方法，能够将废料提升到与原铝相似的水平。今日，北京科技大学朱鸿民教授课题组等人提出了一种固态电解(SSE)工艺，使用熔融盐回收废铝。SSE从铸造铝合金中生产出纯度与原铝相当的铝。此外，工业SSE的能耗估计不到原铝生产过程的一半。通过有效地回收铝废料，有可能持续满足我们对高等级铝的需求。通过使用这种高效、低能耗的工艺，可以预见铝循环的真正可持续性。相关研究工作以“A solid-state electrolysis process for upcycling aluminium scrap”为题发表在国际顶级期刊《Nature》上。祝贺北京科技大学！
为了通过升级废铝来实现铝的真正可持续性，作者开发了一种新的固态电解(SSE)工艺，使用熔盐作为电解质。图2(a)中提供了所提出的电解槽的示意图。在SSE工艺中，废铝是在固态下精炼的。为了确保废铝保持固态，熔盐电解质的熔点必须低于铝合金，典型的Al-Si-Cu基铸造铝合金的熔点约为580°C。此外，熔盐电解质应该带来其他优点，例如高电导率、宽电化学电势窗口、容易操作和低成本。碱金属氯化物、碱土金属氯化物或它们的混合物是用于SSE的有希望的电解质，特别是因为它们的宽电化学电势窗口和相对低的成本。考虑到上述要求，在本研究中研究了两种不同的电解质，熔融氯化镁-氯化钠-KCl (47.1 mol%氯化镁-30.2 mol%氯化钠-22.7 mol% KCl: 385℃)和氯化锂-KCl (58.6 mol%氯化锂-41.4 mol% KCl: 353℃)，这两种电解质都加入了5mol%三氟化铝代替三氯化铝以避免挥发性问题。
使用SSE工艺，废铝可以升级为纯度和质量与原铝相当的铝。在图1所示的2040年情景中，SSE工艺的使用将有效防止“死金属”的产生，并且铝回路可以在数量和质量都有保证的情况下闭合。此外，通过使用通过SSE工艺升级的铝，与生产相同数量的原铝相关的碳排放将显著减少。
基于熔盐电解的原理，所提出的SSE工艺具有很大的工业应用潜力。工业熔盐电解目前在各种规模下运行，从钛电解精炼和稀土元素电解的5-10 kA，到镁电解和铝三层电解的100-200 kA，甚至高达原铝电解的600 kA。熔盐电解在工业上的成功应用对SSE工艺的放大和工业应用起到了指导作用。这项研究的发现证明了SSE的技术优势，包括其去除杂质的能力和低能耗，而其他因素，如资本和运营成本，是正在进行研究的重要课题。考虑到未来铝行业可能出现的各种挑战，本文提出的SSE工艺所代表的技术为真正的可持续铝行业铺平了道路，并成为在行业层面实现真正可持续发展的典范。
文献链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04748-4
文献原文：“高级铝”