A produção e a reciclagem de baterias poderão tornar-se mais ecológicas com esta «cola»
Chega de flúor e de solventes tóxicos
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Um novo aglutinante para baterias — a cola que mantém unidas as partes internas de uma bateria — poderá tornar as baterias de iões de lítio mais ecológicas e mais fáceis de reciclar, sem comprometer o desempenho. Ao criarem um aglutinante isento de flúor e solúvel em água, os engenheiros da Universidade da Califórnia em San Diego demonstraram que é possível simplificar tanto o fabrico como a reciclagem das baterias, reduzindo a utilização de ingredientes tóxicos, o consumo de energia e a produção de resíduos. As baterias fabricadas com o novo aglutinante apresentaram um desempenho idêntico ao das baterias de iões de lítio convencionais.
Este novo aglutinante para baterias poderá reduzir os ingredientes tóxicos, o consumo de energia e os resíduos gerados na fabricação e reciclagem de baterias de iões de lítio.
David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering
Este avanço, publicado a 9 de outubro na revista *Nature Communications*, resultou de uma colaboração entre o laboratório de Zheng Chen, professor do Departamento de Engenharia Química e Nanoengenharia da Família Aiiso Yufeng Li, na Escola de Engenharia Jacobs da UC San Diego, e John Muldoon, do Instituto de Investigação da Toyota na América do Norte.
O aglutinante é o material semelhante a cola que é misturado com pós de elétrodos para formar camadas sólidas, que são depois fixadas a finas folhas metálicas no interior da bateria. Estas camadas são empilhadas e enroladas para criar uma bateria. Embora o aglutinante represente uma pequena fração do peso de uma bateria, tem um grande impacto na forma como a bateria é fabricada e reciclada.
As baterias de iões de lítio utilizam normalmente um aglutinante que contém flúor, uma vez que este produz elétrodos uniformes e com forte aderência, que se mantêm estáveis ao longo de inúmeros ciclos de carga e descarga. Isso permite que as baterias tenham um melhor desempenho e durem mais tempo.
«Mas essa mesma estabilidade também torna as baterias muito mais difíceis de reciclar», afirmou Chen, cujo Laboratório de Materiais e Energia Sustentáveis da UC San Diego se especializa no desenvolvimento de métodos eficientes e ecológicos para recuperar e restaurar materiais de baterias de iões de lítio usadas.
O problema do flúor nos ligantes
Um aglutinante que contém flúor tem de ser dissolvido num solvente tóxico antes de poder ser misturado com os pós dos elétrodos. Depois de os elétrodos serem revestidos, são utilizados grandes fornos de secagem para evaporar o solvente. São então necessárias etapas adicionais para recuperar e purificar o solvente, de modo a que possa ser reutilizado. «Essas etapas adicionais aumentam significativamente o custo e o consumo de energia — bem como o impacto ambiental — da produção de baterias», afirmou o primeiro autor do estudo, Jiao Lin, investigador de pós-doutoramento no laboratório de Chen.
Os ligantes que contêm flúor também complicam o processo de reciclagem das baterias. Estes ligantes deixam para trás resíduos difíceis de remover, que requerem calor elevado ou produtos químicos corrosivos para serem eliminados. Isso, por sua vez, gera resíduos perigosos, bem como subprodutos que contêm flúor, os quais contaminam os materiais recuperados das baterias e tornam mais difícil a sua reutilização em novas baterias.
Chega de flúor e de solventes tóxicos
Para resolver ambos os problemas, a equipa de Chen criou um aglutinante que não contém flúor e pode ser processado utilizando um solvente não tóxico: a água. Embora já existam outros aglutinantes solúveis em água, estes carecem da resistência e durabilidade necessárias para baterias de alto desempenho, explicou Chen.
O novo aglutinante é fabricado a partir de dois polímeros baratos e amplamente utilizados. O ácido poliacrílico ajuda a mistura a espalhar-se uniformemente durante o fabrico e proporciona flexibilidade. Por sua vez, a carboximetilcelulose, um material de origem vegetal comummente utilizado em alimentos e produtos de papel, proporciona resistência e aderência.
Os polímeros foram primeiro dissolvidos em água. Em seguida, os investigadores adicionaram ácido cítrico, o ácido natural presente nos citrinos, para ligar quimicamente os polímeros entre si. O resultado é uma rede fortemente interligada, mantida unida por vários tipos de ligações químicas que se reforçam mutuamente. Isso confere a este aglutinante a resistência, a flexibilidade, a estabilidade e a aderência necessárias para rivalizar com os aglutinantes convencionais que contêm flúor.
Fabrico e reciclagem de baterias com o novo aglutinante
As baterias construídas com o novo aglutinante sem flúor apresentaram o mesmo desempenho inicial que as baterias de iões de lítio convencionais. Mantiveram mesmo a sua capacidade por mais tempo após centenas a milhares de ciclos de carga. O aglutinante também era compatível com diferentes tipos de elétrodos, incluindo cátodos de fosfato de ferro e lítio (LFP), cátodos ricos em níquel, ânodos de grafite e ânodos de silício.
O novo aglutinante também poderá simplificar a reciclagem das baterias. Em vez de utilizarem produtos químicos agressivos e altas temperaturas para o remover, como acontece com os aglutinantes que contêm flúor, os investigadores limitaram-se a desmontar a bateria e a mergulhar os elétrodos em água. Isto dissolveu o aglutinante e permitiu que os revestimentos dos elétrodos se separassem de forma limpa das folhas de metal, sem deixar resíduos. Os materiais dos elétrodos recuperados foram então regenerados através de processos de reciclagem direta e utilizados para fabricar novas baterias.
Estas baterias recicladas apresentaram um desempenho tão bom quanto o das fabricadas a partir de materiais de elétrodos recuperados de baterias produzidas com o aglutinante convencional contendo flúor.
Os próximos passos incluem aumentar a escala de produção do aglutinante para fabrico comercial. Os investigadores estão agora a trabalhar na otimização do aglutinante para diferentes composições químicas de baterias, com vista a melhorar o seu desempenho. Chen e a sua equipa planeiam comercializar o aglutinante através de uma colaboração com parceiros da indústria.
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.
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