Novo reator de recarga para reciclagem transforma resíduos de baterias em nova matéria-prima de lítio
"A produção direta de hidróxido de lítio de elevada pureza encurta o caminho de volta às novas baterias"
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À medida que a adoção global de veículos eléctricos acelera, as baterias em fim de vida estão rapidamente a tornar-se um importante fluxo de resíduos. A extração e refinação do lítio são dispendiosas e a maioria dos métodos de reciclagem actuais consomem muita energia e produtos químicos, produzindo frequentemente carbonato de lítio que tem de ser transformado em hidróxido de lítio para ser reutilizado.
Da esquerda para a direita, Sibani Lisa Biswal, Yuge Feng e Haotian Wang.
Jorge Vidal/Rice University
Em vez de fundir ou dissolver os materiais triturados das baterias ("massa negra") em ácidos fortes, uma equipa de engenheiros da Universidade de Rice desenvolveu uma abordagem mais limpa, recarregando os resíduos dos materiais catódicos para extrair os iões de lítio para a água, onde se combinam com o hidróxido para formar hidróxido de lítio de elevada pureza.
"Fizemos uma pergunta básica: Se carregar uma bateria retira o lítio de um cátodo, porque não utilizar a mesma reação para reciclar?", afirmou Sibani Lisa Biswal, presidente do Departamento de Engenharia Química e Biomolecular da Rice e Professora William M. McCardell de Engenharia Química. "Ao associar essa química a um reator eletroquímico compacto, podemos separar o lítio de forma limpa e produzir o sal exato que os fabricantes pretendem".
Numa bateria funcional, o carregamento puxa os iões de lítio para fora do cátodo. O sistema de Rice aplica o mesmo princípio aos resíduos de materiais catódicos, como o fosfato de ferro-lítio. Quando a reação começa, os iões de lítio migram através de uma membrana fina de permuta catiónica para uma corrente de água. No contra-elétrodo, outra reação simples divide a água para gerar hidróxido. O lítio e o hidróxido combinam-se então na corrente de água para formar hidróxido de lítio, sem necessidade de ácidos agressivos ou de produtos químicos adicionais.
A investigação, recentemente publicada na revista Joule, demonstra um reator de membrana e elétrodo de intervalo zero que utiliza apenas eletricidade, água e resíduos de bateria. Em alguns modos, o processo exigiu apenas 103 quilojoules de energia por quilograma de massa negra - cerca de uma ordem de grandeza inferior às vias comuns de lixiviação ácida (sem contar com as suas etapas adicionais de processamento). A equipa dimensionou o dispositivo para 20 centímetros quadrados, realizou um teste de estabilidade de 1000 horas e processou 57 gramas de massa negra industrial fornecida pelo seu parceiro industrial TotalEnergies.
"A produção direta de hidróxido de lítio de elevada pureza encurta o caminho de volta às novas baterias", afirmou Haotian Wang, professor associado de engenharia química e biomolecular e coautor correspondente do estudo juntamente com Biswal. "Isso significa menos etapas de processamento, menos resíduos e uma cadeia de suprimentos mais resiliente.
O processo produziu hidróxido de lítio com mais de 99% de pureza - suficientemente limpo para ser utilizado diretamente no fabrico de baterias. Também se revelou altamente eficiente em termos energéticos, consumindo apenas 103 kilojoules de energia por quilograma de resíduos num modo e 536 kilojoules noutro. O sistema demonstrou durabilidade e escalabilidade, mantendo uma taxa média de recuperação de lítio de quase 90% ao longo de 1.000 horas de funcionamento contínuo.
A abordagem também funcionou em várias químicas de baterias, incluindo fosfato de ferro-lítio, óxido de manganês-lítio e variantes de níquel-manganês-cobalto. Ainda mais promissor, os investigadores demonstraram o processamento rolo a rolo de eléctrodos inteiros de fosfato de ferro-lítio diretamente da folha de alumínio - sem necessidade de raspagem ou pré-tratamento.
"A demonstração rolo a rolo mostra como isto pode ser ligado a linhas de desmontagem automatizadas", disse Wang. "Alimenta-se o elétrodo, alimenta-se o reator com eletricidade de baixo carbono e extrai-se hidróxido de lítio para baterias."
Em seguida, os investigadores planeiam ampliar a tecnologia desenvolvendo pilhas de maior área, aumentando a carga de massa negra e concebendo membranas mais selectivas e hidrofóbicas para manter uma elevada eficiência a maiores concentrações de hidróxido de lítio. Consideram também que o pós-tratamento - concentração e cristalização do hidróxido de lítio - é a próxima grande oportunidade para reduzir o consumo global de energia e as emissões.
"Tornámos a extração de lítio mais limpa e mais simples", afirmou Biswal. "Agora vemos claramente o próximo obstáculo. Se resolvermos o problema da concentração, a sustentabilidade será ainda melhor."
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.
Publicação original
Yuge Feng, Yoon Park, Shaoyun Hao, Chang Qiu, Shoukun Zhang, Zhou Yu, Zhiwei Fang, Tanguy Terlier, Chase Sellers, Khalid Mateen, Frank Despinois, Moussa Kane, Sibani Lisa Biswal, Haotian Wang; "A direct electrochemical Li recovery from spent Li-ion battery cathode for high-purity lithium hydroxide feedstock"; Joule
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