Enxágue e repita: uma nova maneira fácil de reciclar baterias está aqui

As baterias de íons de lítio revolucionaram a eletrônica e permitiram uma mudança acelerada em direção à energia limpa. Essas baterias se tornaram parte integrante da vida do século 21, mas corremos o risco de acabar antes de 2050. Os principais elementos usados ​​em cada bateria – lítio, níquel e metais de cobalto, bem como grafite – são cada vez mais escassos e caros, e há pouca supervisão ambiental ou de trabalho justo de algumas das cadeias de abastecimento internacionais remanescentes.

É urgente começar a reutilizar os materiais que já desenterramos e tornar o processo de produção de baterias mais seguro e igualitário para todos. Uma equipe de cientistas do Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) inventou um novo material de bateria premiado que pode marcar ambas as caixas. Seu produto, chamado de Fichário de Liberação Rápida, torna simples e acessível separar os materiais valiosos das baterias de íon-lítio dos outros componentes e recuperá-los para reutilização em uma nova bateria.

"Estamos chegando ao ponto em que a reciclagem de baterias será uma exigência", disse o líder do projeto Gao Liu, cientista sênior da Área de Tecnologias de Energia do Berkeley Lab e membro do Berkeley Lab Energy Storage Center. "Se não pararmos de queimá-las e jogá-las no lixo, vamos ficar sem recursos nos próximos dez anos. É simplesmente impossível acompanhar o número de baterias que o mercado está exigindo de outra forma. Simplesmente não há cobalto suficiente , não há níquel suficiente - temos que reciclar." Uma bateria feita com Fichário de Liberação Rápida 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 grande contraste com a atual reciclagem de íons de lítio, que envolve primeiro triturar e triturar as baterias e depois queimá-las para separar os metais dos outros constituintes. As empresas de reciclagem visam tornar seus processos o mais eficientes possível, mas devido ao design passado e atual da maioria das baterias, a recuperação dos elementos ainda consome muita energia, é cara e libera produtos químicos tóxicos que devem ser gerenciados com cuidado.

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 possíveis alternativas ao tradicional Li-ion que está sendo desenvolvido – quando criaram o Quick-Release Binder. As baterias de lítio-enxofre são um conceito quente no mundo da pesquisa e desenvolvimento de baterias porque podem ser fabricadas sem cobalto raro e têm uma densidade de energia teórica mais alta que a de íon-lítio; mas há muitos problemas de funcionalidade que devem ser resolvidos antes que as baterias possam ser adotadas comercialmente. O fichário de liberação rápida tornaria as baterias Li-S facilmente recicláveis ​​e parece resolver um dos principais problemas de desempenho. Essa descoberta é bastante empolgante por si só, mas Chen Fang, pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Liu, percebeu que seu novo material aglutinante tinha um potencial ainda maior: também poderia ser usado nas baterias de íons de lítio atuais.

Aglutinantes são substâncias semelhantes a cola usadas na maioria dos tipos de bateria, incluindo Li-ion e as células alcalinas que usamos em utensílios domésticos. As baterias têm dois eletrodos - o cátodo carregado positivamente e o ânodo carregado negativamente - 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 Fichário de Liberação Rápida é feito de dois polímeros disponíveis comercialmente, ácido poliacrílico (PAA) e polietilenonimina (PEI), que são unidos por meio 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 de eletrodo embutidos nele.