Novos avanços na reciclagem de baterias de íon-lítio

Novos avanços na reciclagem de baterias de íon-lítio

A demanda global por baterias de íon-lítio está crescendo exponencialmente e pontos de inflexão críticos são previstos, já que a demanda pode até exceder a oferta de componentes essenciais e matérias-primas para baterias.

O mercado global de carros elétricos deve crescer para US$ 858 bilhões até 2027, impulsionado por baterias de íon-lítio. No entanto, estima-se que apenas 5% das baterias de íon-lítio sejam recicladas globalmente. Historicamente, a reciclagem de baterias de íon-lítio tem sido limitada pela volatilidade dos preços das matérias-primas, pela falta de plantas de reciclagem e pela ausência de regulamentações. Contudo, avanços nos métodos de reciclagem, alto potencial de crescimento e uma quantidade fixa de metais raros tornaram a reciclagem mais atraente, com projeções de tamanho de mercado que podem chegar a US$ 13 bilhões até 2030.

Técnicas atuais de reciclagem

Hoje, existem três tipos principais de metodologias de reciclagem de baterias (Figura 1), sendo a combinação de hidrometalurgia e pirometalurgia as formas dominantes. Publicações de pesquisas e patentes cresceram exponencialmente para a hidrometalurgia e a pirometalurgia devido aos custos mais baixos e à complexidade (Figura 2). A hidrometalurgia utiliza soluções (principalmente aquosas) para extrair e separar metais de recursos de baterias. A pirometalurgia usa calor para converter os óxidos metálicos usados em materiais de bateria em metais ou compostos metálicos. A reciclagem direta é a remoção do material do cátodo para reutilização ou recondicionamento.

Por que a reciclagem direta é a melhor opção

A remoção direta do material do cátodo para reutilização ou recondicionamento é ideal porque permite que os recicladores mantenham as estruturas cristalinas intactas com custos menores de energia, reagentes e instalações fixas. No entanto, exige maiores custos de mão de obra e um patamar mais elevado para condições adequadas de reciclagem de baterias. Até recentemente, os principais desafios que impediam o campo da reciclagem de íon-lítio eram a falta de uniformidade nos designs das baterias e o alto nível de esforço necessário na hidro e na pirometalurgia para converter baterias em matérias-primas metálicas. Um artigo recente destaca um método que fornece materiais de cátodo funcionais que não eram obtidos pelos métodos de reciclagem atuais.

Uma nova abordagem para a reciclagem direta:

Recentemente, Zheng Liang, Guangmin Zhou, Hui-Ming Cheng e colegas divulgaram uma dessas técnicas no Journal of the American Chemical Society. Iodeto de lítio (LiI) e hidróxido de lítio (LiOH) foram combinados em uma mistura eutética que derrete a uma temperatura mais baixa do que qualquer um dos sais isoladamente — abaixo de 200°C. Como resultado, a combinação torna-se líquida em temperaturas mais acessíveis.

Embora a capacidade das baterias fabricadas a partir do material reparado não tenha sido totalmente restaurada, o aquecimento consecutivo com a mistura eutética a 200°C por 3 horas, seguido de aquecimento a 850°C por 2 horas, conseguiu. No entanto, quando Co₂O₃ e MnO₂ foram adicionados à mistura eutética, o processo de duas etapas produziu NMC523 restaurado, que apresentava características e uma estrutura cristalina comparáveis às do material recém-produzido.

Esta abordagem oferece uma maneira de reparar cátodos de baterias de íon-lítio para funcionalidade total, utilizando menos energia e recursos do que a produção de material novo. Se materiais de baterias esgotadas forem restaurados à funcionalidade total a um custo menor, eles poderão ser vendidos com uma margem muito maior do que metais ou óxidos metálicos produzidos por outras técnicas mais dispendiosas.

Desafios

A abordagem desenvolvida por Liang et al. não está isenta de desafios. O procedimento exige a desmontagem e, em seguida, a remontagem das baterias. A complexidade e a falta de uniformidade nos designs das baterias e nas composições dos cátodos são barreiras para a reciclagem de baterias em geral. Embora muitos tipos diferentes de baterias possam ser processados usando pirometalurgia, a reciclagem direta e os procedimentos hidrometalúrgicos exigem a triagem de diferentes tipos de baterias e uma desmontagem segura. A composição e o design da bateria devem ser especificados e codificados nas baterias para tornar a reciclagem direta prática. A desmontagem seria mais simples com designs de bateria padronizados; no entanto, dada a variedade de aplicações de baterias de íon-lítio, isso pode não ser possível.

Perspectivas futuras

Há um ponto de inflexão crítico à frente para as baterias de íon-lítio, já que a demanda potencialmente superará a oferta de metais essenciais; portanto, a reciclagem deve desempenhar um papel fundamental para preencher essa lacuna. A conservação de recursos, o impacto ambiental e a relação custo-benefício serão os principais impulsionadores para acelerar a inovação no futuro.

Embora este estudo recente não ofereça uma abordagem pronta para uso comercial para a regeneração e reciclagem direta de baterias de íon-lítio, ele demonstra que a prática é tecnicamente viável. Esta abordagem difere dos métodos anteriores de reciclagem direta ao usar sistemas eutéticos em vez de técnicas hidrotérmicas. Uma técnica de reciclagem direta comercialmente viável aumentará a segurança do fornecimento de componentes de baterias de íon-lítio, contribuirá para sua sustentabilidade como alternativa aos combustíveis líquidos para armazenamento de energia e servirá como um instrumento crucial na redução das emissões de CO₂, mitigando as mudanças climáticas. Saiba mais sobre as tendências emergentes na reciclagem de baterias de íon-lítio em nosso relatório recente.