Enxágue e repita: chegou uma nova maneira fácil de reciclar baterias

Jul 25, 2023

As baterias de íons de lítio revolucionaram a eletrônica e permitiram uma mudança acelerada em direção à energia limpa. Estas baterias tornaram-se parte integrante da vida no século XXI, mas corremos o risco de ficarem esgotadas antes de 2050. Os principais elementos utilizados em cada bateria – lítio, níquel e metais cobalto, bem como grafite – são cada vez mais escassos e caros, e há pouca supervisão ambiental ou laboral justa de algumas das restantes cadeias de abastecimento internacionais.

Há uma necessidade premente de começar a reutilizar os materiais que já desenterramos e de tornar o processo de produção de baterias mais seguro e equitativo para todos. Uma equipe de cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) inventou um novo material de bateria premiado que pode atender a ambos os requisitos. Seu produto, chamado Quick-Release Binder, torna simples e acessível separar os materiais valiosos das baterias de íon-lítio de outros componentes e recuperá-los para reutilização em uma nova bateria.

“Estamos chegando ao ponto em que a reciclagem de baterias será um requisito”, disse o líder do projeto Gao Liu, cientista sênior da Área de Tecnologias de Energia do Berkeley Lab e membro do Centro de Armazenamento de Energia do Berkeley Lab. “Se não pararmos de queimá-los e jogá-los no lixo, ficaremos sem recursos nos próximos dez anos. De outra forma, é simplesmente impossível acompanhar o número de baterias que o mercado exige. Simplesmente não há cobalto e níquel suficientes – temos que reciclar.”Uma bateria feita com Quick-Release Binder simplesmente precisa ser aberta, colocada em água alcalina em temperatura ambiente e agitada suavemente. Os elementos separados são facilmente filtrados da água e secos ao ar.

É um nítido contraste com a atual reciclagem de íons de lítio, que envolve primeiro triturar e triturar baterias e depois queimá-las para separar os metais dos outros constituintes. As empresas de reciclagem pretendem tornar os seus processos tão eficientes quanto possível, mas devido ao design passado e atual da maioria das baterias, a recuperação dos elementos ainda consome muita energia, é cara e liberta produtos químicos tóxicos que devem ser cuidadosamente geridos.

Membros da equipe (no sentido horário, a partir do canto superior esquerdo): Robert Kostecki, Diretor de Divisão, Divisão de Armazenamento de Energia e Recursos Distribuídos; Gao Liu, investigador principal, Liu Lab; Chen Fang, pesquisador de pós-doutorado; Muhammad Ihsan Ul Haq, pesquisador de pós-doutorado (Crédito: Marilyn Sargent/Berkeley Lab)

Liu e sua equipe no Berkeley Lab Energy Storage Center estavam trabalhando em baterias de lítio-enxofre – uma das alternativas possíveis ao íon de lítio tradicional que está sendo desenvolvida – quando criaram o Quick-Release Binder. As baterias de lítio-enxofre são um conceito importante no mundo da pesquisa e desenvolvimento de baterias porque podem ser fabricadas sem o raro cobalto e têm uma densidade de energia teórica mais alta do que o íon-lítio; mas há muitos problemas de funcionalidade que devem ser resolvidos antes que as baterias possam ser adotadas comercialmente. O aglutinante de liberação rápida tornaria as baterias Li-S facilmente recicláveis ​​e parece resolver um dos principais problemas de desempenho. Esta descoberta é bastante entusiasmante por si só, mas Chen Fang, investigador de pós-doutoramento no laboratório de Liu, percebeu que o seu novo material aglutinante tinha um potencial ainda maior: também poderia ser usado nas actuais baterias de iões de lítio.

Os aglutinantes são substâncias semelhantes a cola usadas na maioria dos tipos de baterias, incluindo íons de lítio e células alcalinas que usamos em utensílios domésticos. As baterias têm dois eletrodos – o cátodo com carga positiva e o ânodo com carga negativa – feitos de produtos químicos condutores que geram uma corrente elétrica e materiais estruturais que mantêm os ingredientes ativos no lugar para um desempenho consistente e durável. Os aglutinantes, como o nome indica, unem esses ingredientes e ajudam a manter a arquitetura da bateria.

O novo Quick-Release Binder é feito de dois polímeros disponíveis comercialmente, ácido poliacrílico (PAA) e polietilenimina (PEI), que são unidos através de uma ligação entre átomos de nitrogênio carregados positivamente no PEI e átomos de oxigênio carregados negativamente no PAA. Quando o material aglutinante sólido é colocado em água alcalina contendo hidróxido de sódio (Na+OH–), o íon sódio aparece no local de ligação, separando os dois polímeros. Os polímeros separados se dissolvem no líquido, liberando quaisquer componentes do eletrodo incorporados nele.