基于β-丙氨酸/柠檬酸天然低共熔溶剂的NMC正极材料绿色回收及电化学性能研究

本研究针对锂离子电池回收过程中强酸污染和选择性差等问题，开发了β-丙氨酸(BA)/柠檬酸(CA)/水(W)组成的天然低共熔溶剂(NADES)体系。通过优化温度(80°C)、超声功率(400W)等参数，实现Li/Co/Mn/Ni金属97%以上的回收率，再生正极在0.5C下展现136.48mAh/g容量和91.04%循环保持率，为绿色冶金提供新思路。

　　

随着电动汽车产业爆发式增长，锂离子电池(LIB)的回收处理已成为全球性挑战。据预测，2025年全球LIB正极材料产量将达40万吨，其中富含锂(Li)、钴(Co)、镍(Ni)、锰(Mn)等战略金属的NMC（镍锰钴三元）材料占比显著。传统火法冶金能耗高且无法选择性回收，湿法冶金虽效率较高但强酸使用导致二次污染。更棘手的是，这些金属的初级生产面临资源短缺和环境压力，而废弃电池不当处置还会引发健康风险。在此背景下，土耳其科学技术研究委员会(TUBITAK)支持的科研团队创新性地采用β-丙氨酸(BA)与柠檬酸(CA)构建天然低共熔溶剂(NADES)，在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表了突破性回收方案。

研究团队采用超声波辅助浸出、共沉淀、多循环溶剂再生等关键技术，对手机废旧电池经放电处理后的正极活性物质(s-CAP)进行系统研究。通过XRD、SEM/EDS、HR-TEM等表征手段结合电化学阻抗谱(EIS)分析，全面评估再生材料的物化特性。

NADES制备与表征
BA:CA:W(1:1:5)组成的NADES在60°C下形成均相透明液体，FT-IR证实其通过羰基(C=O)和胺基(-NH₂
)氢键网络稳定存在。粘度测试显示该溶剂在80°C时流动性最佳，为后续浸出奠定基础。

金属浸出动力学
常规搅拌条件下(375rpm)，3小时内Li/Co/Mn/Ni浸出率均超95%，而400W超声波可将时间缩短至1小时。阿伦尼乌斯方程计算显示活化能(E_a
)在45-60kJ/mol范围，证实界面化学反应为速率控制步骤。

溶剂再生与金属回收
1M草酸(C₂
H₂
O₄
)共沉淀实现近100%金属回收，NADES经5次循环后效率未衰减。锂以Li₃
PO₄
形式分离，形成完整闭环回收流程。

再生正极性能
再生材料在0.5C和5C倍率下分别展现136.48mAh/g和89.56mAh/g的放电容量，100次循环后容量保持率达91.04%。EIS显示电荷转移电阻(R_ct
)与商用材料相当，证实界面稳定性。

该研究开创性地将生物活性肽组分β-丙氨酸应用于电池回收领域，其分子中氨基(-NH₂
)和羧基(-COOH)的双重功能特性，使得NADES兼具高选择性和环境友好特征。相比传统无机酸工艺，该体系减少90%以上危废产生，且溶剂成本降低40%。特别值得注意的是，超声波辅助策略将能耗降低至传统方法的1/3，而再生正极的电化学性能完全满足商用要求。这项工作不仅为动力电池回收提供绿色解决方案，其提出的AADES（氨基酸基低共熔溶剂）概念更拓展了绿色化学在资源循环领域的应用边界。研究团队Elif Gülo?lu和G?khan Orhan强调，该技术可直接整合至现有湿法冶金生产线，具有显著的工业化应用前景。