Novo material de auto-montagem pode ser a chave para baterias de veículos eléctricos recicláveis
Os investigadores do MIT conceberam um eletrólito que se pode desfazer no final da vida útil de uma bateria, permitindo uma reciclagem mais fácil dos componentes
Anúncios
O boom dos veículos eléctricos de hoje é a montanha de resíduos electrónicos de amanhã. E embora estejam a ser desenvolvidos inúmeros esforços para melhorar a reciclagem das baterias, muitas baterias de veículos eléctricos continuam a acabar em aterros sanitários.
Uma equipa de investigação do MIT quer ajudar a mudar esta situação com um novo tipo de material de bateria auto-montável que se desfaz rapidamente quando submerso num simples líquido orgânico. Num novo artigo publicado na revista Nature Chemistry, os investigadores demonstraram que o material pode funcionar como eletrólito numa célula de bateria em estado sólido e depois voltar aos seus componentes moleculares originais em minutos.
A abordagem oferece uma alternativa à fragmentação da bateria numa massa mista e difícil de reciclar. Em vez disso, como o eletrólito serve de camada de ligação da bateria, quando o novo material regressa à sua forma molecular original, toda a bateria se desmonta para acelerar o processo de reciclagem.
"Até agora, na indústria das pilhas, concentrámo-nos em materiais e designs de elevado desempenho e só mais tarde tentámos descobrir como reciclar pilhas feitas com estruturas complexas e materiais difíceis de reciclar", afirma o primeiro autor do artigo, Yukio Cho PhD '23. "A nossa abordagem consiste em começar com materiais facilmente recicláveis e descobrir como torná-los compatíveis com as pilhas. A conceção de baterias recicláveis desde o início é uma nova abordagem".
Juntam-se a Cho no artigo o candidato a doutoramento Cole Fincher, Ty Christoff-Tempesta PhD '22, o Professor de Cerâmica da Kyocera Yet-Ming Chiang, a Professora Associada Visitante Julia Ortony, Xiaobing Zuo e Guillaume Lamour.
Baterias melhores
Há uma cena num dos filmes "Harry Potter" em que o Professor Dumbledore limpa uma casa em ruínas com um movimento do pulso e um feitiço. Quando viu uma palestra de Ortony sobre a engenharia de moléculas de forma a que estas se pudessem reunir em estruturas complexas e depois voltar à sua forma original, Cho diz que essa imagem o marcou quando era miúdo (que melhor forma de limpar o quarto?).
Isso seria uma mudança de paradigma para a indústria das pilhas. Atualmente, as pilhas requerem produtos químicos agressivos, calor elevado e um processamento complexo para serem recicladas. Há três partes principais de uma bateria: o cátodo com carga positiva, o elétrodo com carga negativa e o eletrólito que transporta os iões de lítio entre eles. Os electrólitos na maioria das baterias de iões de lítio são altamente inflamáveis e degradam-se ao longo do tempo em subprodutos tóxicos que requerem um manuseamento especializado.
Para simplificar o processo de reciclagem, os investigadores decidiram criar um eletrólito mais sustentável. Para isso, recorreram a uma classe de moléculas que se auto-montam em água, denominadas anfifílicos de aramida (AA), cujas estruturas químicas e estabilidade imitam as do Kevlar. Os investigadores conceberam ainda as AAs de modo a conterem polietilenoglicol (PEG), que pode conduzir iões de lítio, numa extremidade de cada molécula. Quando as moléculas são expostas à água, formam espontaneamente nanofitas com superfícies de PEG condutoras de iões e bases que imitam a robustez do Kevlar através de ligações de hidrogénio apertadas. O resultado é uma estrutura de nanofitas mecanicamente estável que conduz iões através da sua superfície.
"O material é composto por duas partes", explica Cho. "A primeira parte é esta cadeia flexível que nos dá um ninho, ou hospedeiro, para os iões de lítio saltarem. A segunda parte é este componente de material orgânico forte que é utilizado no Kevlar, que é um material à prova de bala. Estes componentes tornam toda a estrutura estável".
Quando adicionadas à água, as nanofitas auto-montam-se para formar milhões de nanofitas que podem ser prensadas a quente num material de estado sólido.
"Cinco minutos depois de ser adicionada à água, a solução torna-se semelhante a um gel, o que indica que há tantas nanofibras formadas no líquido que começam a emaranhar-se umas nas outras", diz Cho. "O que é excitante é o facto de podermos fabricar este material à escala devido ao comportamento de auto-montagem".
A equipa testou a resistência e a dureza do material, descobrindo que podia suportar as tensões associadas ao fabrico e ao funcionamento da bateria. A equipa também construiu uma célula de bateria de estado sólido que utilizou fosfato de ferro-lítio para o cátodo e óxido de titânio-lítio como ânodo, ambos materiais comuns nas baterias actuais. As nanofitas moveram com sucesso os iões de lítio entre os eléctrodos, mas um efeito secundário conhecido como polarização limitou o movimento dos iões de lítio para os eléctrodos da bateria durante os rápidos períodos de carga e descarga, dificultando o seu desempenho em comparação com as actuais baterias comerciais de padrão ouro.
"Os iões de lítio moviam-se bem ao longo da nanofibra, mas a passagem do ião de lítio das nanofibras para o óxido metálico parece ser o ponto mais lento do processo", afirma Cho.
Quando mergulharam a célula da bateria em solventes orgânicos, o material dissolveu-se imediatamente, com cada parte da bateria a desfazer-se para facilitar a reciclagem. Cho comparou a reação dos materiais a um algodão doce submerso em água.
"O eletrólito mantém os dois eléctrodos da bateria juntos e fornece os caminhos do ião de lítio", diz Cho. "Assim, quando se pretende reciclar a bateria, toda a camada de eletrólito pode cair naturalmente e os eléctrodos podem ser reciclados separadamente."
Validação de uma nova abordagem
Cho afirma que o material é uma prova de conceito que demonstra a abordagem "reciclar primeiro".
"Não queremos dizer que resolvemos todos os problemas com este material", afirma Cho. "O desempenho da nossa bateria não foi fantástico porque utilizámos apenas este material como eletrólito completo para o papel, mas o que estamos a imaginar é utilizar este material como uma camada no eletrólito da bateria. Não tem de ser o eletrólito completo para dar início ao processo de reciclagem".
Cho também vê muito espaço para otimizar o desempenho do material com mais experiências.
Agora, os investigadores estão a explorar formas de integrar este tipo de materiais em designs de baterias existentes, bem como a implementar as ideias em novas químicas de baterias.
"É muito difícil convencer os fornecedores actuais a fazer algo muito diferente", diz Cho. "Mas com os novos materiais de bateria que podem ser lançados dentro de cinco ou 10 anos, pode ser mais fácil integrar isto em novos designs no início."
Cho também acredita que a abordagem poderia ajudar a repor o fornecimento de lítio, reutilizando materiais de baterias que já estão nos EUA.
"As pessoas estão a começar a perceber a importância disto", afirma Cho. "Se conseguirmos começar a reciclar baterias de iões de lítio a partir de resíduos de baterias em grande escala, isso terá o mesmo efeito que abrir minas de lítio nos EUA. Além disso, cada bateria requer uma certa quantidade de lítio, pelo que, extrapolando o crescimento dos veículos eléctricos, precisamos de reutilizar este material para evitar picos maciços no preço do lítio".
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Inglês pode ser encontrado aqui.
Outras notícias do departamento ciência
Estes produtos podem lhe interessar
Battery Testing Services por Battery Dynamics
Saiba mais sobre o desempenho e a vida útil das células da sua bateria em menos tempo
Beneficiar de uma tecnologia de medição moderna e de uma equipa experiente
Batt-TDS por ystral
Máquina de mistura e dispersão YSTRAL Batt-TDS
Impulsione o seu processo de polpa de bateria
