As baterias de lítio recicladas podem ter um melhor desempenho do que as novas

Um novo método de reciclagem de baterias de lítio ajudaria a satisfazer a procura cada vez maior.

As baterias de iões de lítio são a base de quase todos os veículos eléctricos, computadores portáteis e smartphones, e são essenciais para armazenar energias renováveis face à emergência climática. Mas todas as actuais explorações mineiras do mundo não conseguem extrair lítio e outros minerais essenciais em quantidade suficiente para satisfazer a procura crescente destas baterias. A criação de novas minas é um esforço dispendioso e que demora anos. Além disso, a exploração mineira cria uma série de problemas ambientais - como o esgotamento dos recursos hídricos locais e a poluição da região circundante com detritos de escoamento - que levaram a protestos contra novas minas.

Tudo isto significa que a capacidade de reciclar as baterias existentes é crucial para mudanças sustentáveis no sistema energético global. Mas a reciclagem de baterias de iões de lítio só recentemente entrou no mercado. Os fabricantes de baterias hesitaram por receio de que os produtos reciclados pudessem ser de menor qualidade do que os fabricados a partir de minerais recentemente extraídos, causando potencialmente uma vida útil mais curta da bateria ou danos nas suas partes internas. As consequências podem ser graves, especialmente numa aplicação como a dos veículos eléctricos.

Métodos de reciclagem de lítio de baterias usadas

Mas uma nova investigação publicada na revista Joule desenvolveu o que os especialistas descrevem como um método de reciclagem mais elegante que renova o cátodo, o cristal cuidadosamente maquinado que é o componente mais caro da bateria de iões de lítio e a chave para fornecer a tensão correcta. Os investigadores descobriram que as pilhas fabricadas com a nova técnica de reciclagem do cátodo funcionam tão bem como as pilhas com um cátodo fabricado de raiz. De facto, as baterias com um cátodo reciclado duram mais tempo e carregam mais depressa. A abordagem da equipa e a demonstração de sucesso são "verdadeiramente únicas e impressionantes", diz Kang Xu, um eletroquímico do Laboratório de Investigação do Exército dos EUA, que não esteve envolvido no estudo.

Yan Wang, professor de ciência dos materiais no Worcester Polytechnic Institute e coautor do novo estudo, começou a investigar a reciclagem de pilhas há 11 anos. Nessa altura, diz ele, "algumas pessoas brincavam comigo: 'Não há pilhas suficientes para reciclar'". Essa piada não está a ter uma boa evolução. O Departamento de Energia estima que o mercado das pilhas poderá crescer 10 vezes na próxima década. Para aliviar as dores de crescimento do mercado, "reciclar as baterias de iões de lítio - fazer com que o material regresse à cadeia de abastecimento - é fundamental", afirma Dave Howell, diretor do Gabinete de Tecnologias de Veículos do DOE. O DOE financiou a nova investigação como parte do seu esforço maciço para estimular inovações em grande escala na reciclagem de baterias nos EUA.

Como funciona a pilha de lítio

Quando uma bateria de iões de lítio fornece energia, um grupo de iões de lítio desloca-se de uma "gaiola" cristalina (o ânodo) para outra (o cátodo). Os métodos mais comuns atualmente utilizados para reciclar estas baterias envolvem o desmantelamento e a trituração de toda a bateria, sendo depois derretida ou dissolvida em ácido. O resultado é uma massa negra - com uma consistência que pode variar entre pó e papa - da qual podem ser recuperados elementos químicos ou compostos simples. Estes produtos recuperados podem então ser submetidos ao mesmo processo de produção comercial que é aplicado aos elementos recém-extraídos para obter cátodos.

Wang e os seus colegas utilizam um processo muito semelhante, mas em vez de decomporem completamente a bateria nos seus elementos químicos constituintes, a sua técnica mantém intacta parte da composição crucial do cátodo antigo. Depois de decomporem a bateria, removem fisicamente as partes menos dispendiosas (como os circuitos electrónicos e o invólucro de aço da bateria) e reciclam-nas separadamente. O que resta é principalmente o material do cátodo, que é dissolvido em ácido e depois as impurezas são removidas. De seguida, adicionam cuidadosamente apenas uma pitada de elementos catódicos frescos, como o níquel e o cobalto, para garantir que a proporção dos ingredientes é a correcta - outra diferença em relação aos métodos de reciclagem comuns. Após mais alguns passos, o resultado é um pó de cátodo efetivamente renovado, composto por minúsculas partículas cristalinas que podem ser coladas numa tira de metal e inseridas numa bateria "nova".

Uma vez que o cátodo é fabricado a partir de uma mistura precisa de minerais preciosos para atingir a tensão específica da bateria, pequenas alterações na sua estrutura ou composição podem comprometer o seu desempenho. Por conseguinte, grande parte do valor do pó catódico reside "na forma como as partículas [de pó] foram concebidas", afirma Emma Kendrick, professora de materiais energéticos na Universidade de Birmingham, no Reino Unido, que não esteve envolvida no novo estudo. Este valor perde-se se a bateria inteira for simplesmente derretida ou dissolvida de uma só vez, como acontece com os actuais métodos de reciclagem.

A investigação de Wang para reciclar o lítio

Wang e os seus colegas compararam as partículas do seu pó de cátodo reciclado com as do pó de cátodo produzido comercialmente (maioritariamente a partir de minérios recentemente extraídos). Verificaram que as partículas do pó reciclado eram mais porosas, com espaços vazios particularmente grandes no centro de cada uma delas. Estas características permitem que o cristal do cátodo inche ligeiramente quando os iões de lítio se infiltram nele, e esta margem de manobra impede que o cristal se parta tão facilmente como nos cátodos construídos de raiz. Estas fissuras são uma das principais causas da degradação das pilhas ao longo do tempo.

Mais poros significam também mais área de superfície exposta, onde podem ter lugar as reacções químicas necessárias para carregar a bateria - razão pela qual as baterias recicladas de Wang carregam mais rapidamente do que as suas equivalentes produzidas comercialmente. Uma ambição futura poderia ser conceber todos os cátodos com esta estrutura superior, em vez de apenas os fabricados a partir de material reciclado, diz Wang.

As últimas descobertas mostram que "o cátodo que conseguem produzir é tão bom ou até melhor do que o material comercial que importámos", diz Linda Gaines, analista de transportes no Argonne National Laboratory e cientista-chefe do ReCell Center, uma organização que estuda e promove a reciclagem de pilhas. (Estas importações provêm maioritariamente da China, que é o líder mundial na reciclagem de baterias. Mas isto significa que os materiais têm de ser deslocados de uma parte do mundo para outra para serem reciclados, aumentando a pegada de carbono das baterias recicladas e diminuindo o seu atrativo como via mais sustentável. A abordagem desenvolvida pela equipa de Wang elimina uma parte significativa do comércio internacional e dos requisitos de transporte, criando uma via potencial para outros países reforçarem a reciclagem de baterias a nível interno. O processo está atualmente a ser expandido pela Ascend Elements, anteriormente Battery Resourcers, uma empresa de reciclagem que Wang co-fundou.