A dispersão a alta pressão torna a produção de baterias LFP mais sustentável
A moagem por jato húmido poupa 42% de energia na produção de cátodo de fosfato de ferro e lítio
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Investigadores do Fraunhofer IPA mostram como diferentes processos de dispersão optimizam a produção de cátodos de fosfato de ferro e lítio amigos do ambiente. A moagem a jato húmido poupa energia de processo até 42% - com quase o mesmo desempenho da bateria.
Vista do sistema de moagem por jato de água no Fraunhofer IPA
Fraunhofer IPA, Rainer Bez
As baterias de iões de lítio são a espinha dorsal da electromobilidade e dos modernos sistemas de armazenamento de energia. No entanto, a sua produção é nociva para o ambiente: os aglutinantes padrão, como o fluoreto de polivinilideno (PVDF) - um plástico que mantém os eléctrodos unidos - requerem o solvente tóxico N-metil-2-pirrolidona (NMP). Os cientistas do Instituto Fraunhofer de Engenharia de Fabrico e Automação IPA desenvolveram ainda mais a produção de cátodos de fosfato de ferro-lítio à base de água, analisando sistematicamente a influência de diferentes processos de dispersão. O aglutinante de base biológica carboximetilcelulose (CMC) é utilizado no processo. A CMC é solúvel em água, provém da celulose e permite um controlo do processo totalmente à base de água, sem solventes orgânicos.
Para os cátodos, os eléctrodos positivos, o fosfato de lítio e ferro (LFP) é considerado uma alternativa mais segura e mais económica aos eléctrodos de óxido de níquel, manganês e cobalto (NMC). Isto deve-se ao facto de o LFP não necessitar de metais críticos como o cobalto e o níquel, ser termicamente estável e atingir ciclos de vida longos. No entanto, na prática industrial, a condutividade comparativamente baixa das fibras descontínuas de lítio torna mais lento o desempenho a elevadas taxas de carga e descarga.
Dois processos de dispersão para lamas de LFP em comparação direta
A equipa investigou sistematicamente dois processos industrialmente relevantes que misturam uma pasta de material ativo, negro de fumo condutor, aglutinante e água: um dissolvente clássico e o processo de moagem a jato húmido de alta pressão. Na mistura por dissolvente, um disco dentado roda a alta velocidade na pasta, também conhecida como lama, criando forças de cisalhamento que quebram os aglomerados de partículas. A moagem a jato húmido é um processo de alta pressão em que a pasta é pressionada através de micro-bicos até 2200 bar. Gera colisões intensas de partículas e uma cominuição particularmente eficiente.
Os investigadores caracterizaram as pastas resultantes em termos de distribuição do tamanho das partículas, viscosidade (comportamento de fluxo) e comportamento de sedimentação. Os eléctrodos revestidos e calandrados - ou seja, as camadas compactadas dos eléctrodos - foram analisados através de medições de espessura e de microscopia eletrónica de varrimento. O desempenho eletroquímico foi determinado através de testes de taxa C. Nestes ensaios, as células da bateria são testadas a diferentes taxas de carga e descarga: 0,1 C = carga/descarga muito lenta, aprox. 10 h para carga/descarga completa; 1 C = "nominal", 1 h; 3 C = muito rápida, 20 min.
Diferenças significativas nas propriedades de processamento
Os resultados mostram diferenças significativas nas propriedades da pasta: A moagem por jato húmido reduziu o tamanho médio das partículas em 39% (de 7,91 para 4,78 microns) e baixou drasticamente a viscosidade - em 96% a baixas taxas de cisalhamento, 80% a taxas de cisalhamento médias e 64% a taxas de cisalhamento elevadas. As partículas mais finas e a viscosidade mais baixa da moagem por jato húmido permitiram processar um teor de sólidos mais elevado em comparação com a pasta dissolvente, o que pode reduzir a energia necessária para a secagem.
As micrografias electrónicas de varrimento mostraram que os eléctrodos produzidos por moagem por jato húmido eram mais homogéneos e densamente compactados. A interface com o coletor de corrente de alumínio era mais suave e mais fechada, o que sugere um melhor fluxo de corrente e estabilidade mecânica.
O desempenho eletroquímico mantém-se estável
Apesar das diferenças significativas nas propriedades de processamento, o desempenho eletroquímico dos eléctrodos diferiu apenas ligeiramente. Na maioria das taxas de C testadas, as capacidades de descarga - ou seja, a quantidade de energia eléctrica que a bateria pode libertar - estavam dentro da tolerância de medição. Só a 1,0 C é que a variante de moagem por jato de água apresentou uma capacidade 12,8% superior (83,8 contra 73,1 miliamperes-hora por grama). Os investigadores atribuem este facto à maior área de superfície ativa das partículas mais pequenas, o que permite reacções electroquímicas mais rápidas.
Poupança de energia e relevância industrial
Um balanço energético global para a mistura e secagem mostra a vantagem decisiva: a combinação de moagem a jato húmido e mistura do dissolvente para a formulação completa exigiu 0,98 quilowatts-hora por quilograma de pasta (kWh/kg) - em comparação com 1,70 kWh/kg para o processo puro do dissolvente. Juntamente com a energia de secagem, isto corresponde a uma poupança de energia de 42%. O maior teor de sólidos da pasta de moagem a jato húmido reduz, portanto, os tempos de secagem e aumenta a eficiência da produção.
"Os nossos resultados mostram que a otimização dos processos de produção é tão importante como a escolha dos materiais", explica Leah Jalowy, autora do estudo, e o seu colega Dominik Nemec acrescenta: "O processamento à base de água com aglutinante CMC elimina os solventes tóxicos da cadeia de produção, enquanto os processos de dispersão optimizados poupam energia e melhoram a qualidade do produto - sem afetar significativamente o desempenho da bateria".
O estudo foi publicado na revista de acesso aberto AppliedChem em 5 de novembro de 2025 e fornece informações importantes para os fabricantes de baterias que buscam estabelecer processos de produção sustentáveis. Embora as investigações tenham sido realizadas em escala laboratorial, os resultados sugerem que os benefícios são ainda mais significativos quando ampliados para uma escala industrial.
O trabalho para o estudo foi realizado no âmbito da plataforma tecnológica do centro de dispersão do Fraunhofer IPA, em estreita cooperação com o fabricante japonês de máquinas Sugino. Juntamente com empresas associadas, como a Sugino, o Centro de Dispersão trabalha e aborda tópicos actuais na investigação da dispersão de uma forma inter-industrial e orientada para os objectivos.
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 Alemão pode ser encontrado aqui.
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