Sem reciclagem a demanda por materiais novos vai
ser muito maior, o que significará maior destruição ambiental pela mineração, e
mais operações de mudança de regime pelo império sobre países "em
desenvolvimento" para submetê-los a uma ordem baseada em regras (impostas pelo império, claro). Assim, é importante diminuir a demanda por materiais novos e tratar de fechar o mais possível o ciclo da fabricação das baterias.
Um dilema para as baterias mortas
Por Ian Morse
20 de maio de 2021
Com milhões de veículos elétricos prontos para pegar estrada, os cientistas estão buscando métodos melhores de reciclagem de baterias.
Uma bateria fragmentada de veículo elétrico pode produzir metais recicláveis, mas costuma ser mais barato para os fabricantes de baterias usar novos materiais. "FOTO: ARGONNE NATIONAL LABORATORY"
A bateria de um Tesla Model S é um feito de engenharia complexa. Milhares de células cilíndricas com componentes provenientes de todo o mundo transformam o lítio e os elétrons em energia suficiente para impulsionar o carro por centenas de quilômetros, repetidamente, sem emissões pelo tubo de escape. Mas quando a vida útil da bateria chega ao fim, seus benefícios verdes desaparecem. Se acabar em um aterro, suas células podem liberar toxinas problemáticas, incluindo metais pesados. E reciclar a bateria pode ser um negócio perigoso, alerta a cientista de materiais Dana Thompson, da Universidade de Leicester. Corte muito fundo em uma célula de Tesla, ou no lugar errado, e pode causar curto-circuito, queimar e liberar gases tóxicos.
Esse é apenas um dos muitos problemas que os pesquisadores enfrentam, incluindo Thompson, que estão tentando resolver um problema emergente: como reciclar os milhões de baterias de veículos elétricos (VE) que os fabricantes esperam produzir nas próximas décadas. As baterias de VE atuais “realmente não são projetadas para serem recicladas”, diz Thompson, pesquisador da Faraday Institution, um centro de pesquisa focado em problemas de baterias no Reino Unido.
Isso não foi problema grande quando os EVs eram raros. Mas agora a tecnologia está decolando. Várias montadoras disseram que planejam desativar os motores de combustão dentro de algumas décadas, e analistas da indústria preveem que pelo menos 145 milhões de veículos elétricos estarão nas estradas em 2030, contra apenas 11 milhões no ano passado. “As pessoas estão começando a perceber que isso é um problema”, diz Thompson.
Os governos estão se esforçando para exigir algum nível de reciclagem. Em 2018, a China impôs novas regras destinadas a promover a reutilização de componentes de bateria de VE. Espera-se que a União Europeia finalize suas primeiras diretrizes neste ano. Nos Estados Unidos, o governo federal ainda não aprovou as exigências de reciclagem, mas vários estados, incluindo a Califórnia - o maior mercado de automóveis do país - estão explorando o estabelecimento de suas próprias regras.
Cumprir não será fácil. As baterias diferem amplamente em química e construção, o que torna difícil criar sistemas de reciclagem eficientes. E as células geralmente são mantidas juntas com cola resistente que as torna difíceis de desmontar. Isso contribuiu para um obstáculo econômico: geralmente é mais barato para os fabricantes de baterias comprar metais recém-produzidos do que usar materiais reciclados.
Melhores métodos de reciclagem não só evitariam a poluição, observam os pesquisadores, mas também ajudariam os governos a aumentar sua segurança econômica e nacional, aumentando o suprimento de metais essenciais para baterias, controlados por um ou alguns países. “Por um lado, [descartar baterias de VE] é um problema de gerenciamento de resíduos. E por outro lado é uma oportunidade para produzir um fluxo secundário sustentável de materiais críticos”, diz Gavin Harper, pesquisador da Universidade de Birmingham que estuda questões de política de VE.
Para impulsionar a reciclagem, os governos e a indústria estão investindo em uma série de iniciativas de pesquisa. O Departamento de Energia dos Estados Unidos (DOE) injetou cerca de US $ 15 milhões em um Centro ReCell para coordenar estudos de cientistas na academia, indústria e em laboratórios do governo. O Reino Unido apoiou o projeto ReLiB, um esforço de várias instituições. À medida que a indústria de EV aumenta, a necessidade de progresso está se tornando urgente, diz Linda Gaines, que trabalha na reciclagem de baterias no Laboratório Nacional de Argonne do DOE. “Quanto mais cedo conseguirmos colocar tudo em movimento”, diz ela, “melhor”.
A cientista de materiais Dana Thompson desenvolve solventes para extrair metais valiosos de baterias gastas de automóveis. "FOTO: INSTITUIÇÃO FARADAY"
As baterias de VE são construídas um pouco como bonecos dentro de bonecos. Normalmente, um pacote principal contém vários módulos, cada um dos quais é construído a partir de várias células menores. Dentro de cada célula, os átomos de lítio movem-se através de um eletrólito entre um ânodo de grafite e uma folha de cátodo composta de um óxido de metal. As baterias são geralmente definidas pelos metais no cátodo. Existem três tipos principais: níquel-cobalto-alumínio, ferro-fosfato e níquel-manganês-cobalto.
Agora, os recicladores visam principalmente metais no cátodo, como cobalto e níquel, que alcançam preços elevados. (O lítio e o grafite são baratos demais para serem reciclados para serem econômicos.) Mas, devido às pequenas quantidades, os metais são como agulhas em um palheiro: difíceis de encontrar e recuperar.
Para extrair essas agulhas, os recicladores contam com duas técnicas, conhecidas como pirometalurgia e hidrometalurgia. A mais comum é a pirometalurgia, na qual os recicladores primeiro retalham mecanicamente a célula e depois a queimam, deixando uma massa carbonizada de plástico, metais e colas. Nesse ponto eles podem usar vários métodos para extrair os metais, incluindo mais queima. “O Pyromet trata essencialmente a bateria como se fosse um minério” direto de uma mina, diz Gaines. A hidrometalurgia, em contraste, envolve mergulhar os materiais da bateria em poças de ácido, produzindo uma sopa carregada de metal. Às vezes, os dois métodos são combinados.
Cada um tem vantagens e desvantagens. A pirometalurgia, por exemplo, não exige que o reciclador saiba o desenho ou a composição da bateria, ou mesmo se ela está totalmente descarregada, para seguir em frente com segurança. Mas é um processo intensivo de energia. A hidrometalurgia pode extrair materiais que não são facilmente obtidos por meio da queima, mas pode envolver produtos químicos que apresentam riscos à saúde. E recuperar os elementos desejados da sopa química pode ser difícil, embora os pesquisadores estejam experimentando compostos que prometem dissolver certos metais da bateria, mas deixam outros em uma forma sólida, tornando-os mais fáceis de serem recuperados. Por exemplo, Thompson identificou um candidato, uma mistura de ácidos e bases chamada solvente eutético profundo, que dissolve tudo, exceto o níquel.
"GRÁFICO: C. BICKEL / CIÊNCIA"
Ambos os processos produzem muitos resíduos e emitem gases de efeito estufa, descobriram estudos. E o modelo de negócios pode ser instável: a maioria das operações depende da venda de cobalto recuperado para se manter no mercado, mas os fabricantes de baterias estão tentando abandonar esse metal relativamente caro. Se isso acontecer, os recicladores podem ficar tentando vender pilhas de “sujeira”, diz a cientista de materiais Rebecca Ciez, da Purdue University.
O IDEAL é a reciclagem direta, o que manteria a mistura catódica intacta. Isso é atraente para os fabricantes de baterias porque os cátodos reciclados não exigiriam processamento pesado, observa Gaines (embora os fabricantes ainda precisem revitalizar os cátodos adicionando pequenas quantidades de lítio). “Então, se você está pensando em economia circular, [reciclagem direta] é um círculo menor que piromet ou hidromete”.
Na reciclagem direta, os trabalhadores primeiro aspirariam o eletrólito e fragmentariam as células da bateria. Em seguida, eles removeriam ligantes com calor ou solventes e usariam uma técnica de flotação para separar os materiais do ânodo e do cátodo. Neste ponto, o material do cátodo se assemelha a talco de bebê.
Até agora, os experimentos de reciclagem direta focaram apenas em células individuais e renderam apenas dezenas de gramas de pós catódicos. Mas pesquisadores do Laboratório Nacional de Energia Renovável dos EUA construíram modelos econômicos que mostram que a técnica poderia, se ampliada nas condições certas, ser viável no futuro.
Para realizar a reciclagem direta, no entanto, os fabricantes de baterias, recicladores e pesquisadores precisam resolver uma série de problemas. Uma é garantir que os fabricantes rotulem suas baterias, para que os recicladores saibam com que tipo de célula estão lidando - e se os metais do cátodo têm algum valor. Dado o mercado de baterias em rápida mudança, observa Gaines, os cátodos fabricados hoje podem não ser capazes de encontrar um futuro comprador. Os recicladores estariam “recuperando um dinossauro. Ninguém vai querer o produto. ”
Outro desafio é quebrar com eficiência as baterias do EV. O módulo de bateria retangular Leaf da Nissan pode levar 2 horas para desmontar. As células de Tesla são únicas não apenas por sua forma cilíndrica, mas também pelo cimento de poliuretano quase indestrutível que as mantém juntas.
Os engenheiros podem ser capazes de construir robôs que podem acelerar a desmontagem da bateria, mas problemas persistentes permanecem mesmo depois de entrar na célula, observam os pesquisadores. Isso porque mais colas são usadas para manter os ânodos, cátodos e outros componentes no lugar. Um solvente que os recicladores usam para dissolver aglutinantes de cátodo é tão tóxico que a União Europeia introduziu restrições ao seu uso, e a Agência de Proteção Ambiental dos EUA determinou no ano passado que ele representa um "risco irracional" para os trabalhadores.
Um técnico na Alemanha certifica-se de que uma bateria de íon de lítio queimada é descarregada antes de uma nova reciclagem."FOTO: WOLFGANG RATTAY / REUTERS"
“Em termos de economia, você tem que desmontar ... [e] se você quiser desmontar, você precisa se livrar das colas”, diz Andrew Abbott, um químico da Universidade de Leicester e conselheiro de Thompson.
PARA FACILITAR O PROCESSO, Thompson e outros pesquisadores estão incentivando os fabricantes de EV e baterias a começarem a projetar seus produtos tendo em mente a reciclagem. A bateria ideal, diz Abbott, seria como um biscoito de Natal, um presente de Natal no Reino Unido que se abre quando o destinatário puxa uma das pontas, revelando um doce ou uma mensagem. Como exemplo, ele cita a Blade Battery, uma bateria de ferrofosfato de lítio lançada no ano passado pela BYD, uma fabricante chinesa de EV. Seu pacote elimina o componente do módulo, em vez de armazenar células planas diretamente dentro. As células podem ser removidas facilmente com as mãos, sem brigar com fios e colas.
A bateria Blade surgiu depois que a China em 2018 começou a tornar os fabricantes de EV responsáveis por garantir que as baterias sejam recicladas. O país agora recicla mais baterias de íon-lítio do que o resto do mundo combinado, usando principalmente métodos piro e hidrometalúrgicos.
As nações que estão se preparando para adotar políticas semelhantes enfrentam algumas questões espinhosas. Um, diz Thompson, é quem deve ser o principal responsável por fazer a reciclagem acontecer. “É minha responsabilidade porque comprei [um VE] ou é responsabilidade do fabricante porque eles o fizeram e estão vendendo?”
Na União Europeia, uma resposta pode vir ainda este ano, quando as autoridades liberarem a primeira regra do continente. E no ano que vem, um painel de especialistas criado pelo estado da Califórnia deve opinar com recomendações que podem ter uma grande influência sobre qualquer política dos EUA.
Os pesquisadores da reciclagem, por sua vez, dizem que a reciclagem eficaz da bateria exigirá mais do que apenas avanços tecnológicos. O alto custo do transporte de itens combustíveis por longas distâncias ou além das fronteiras pode desencorajar a reciclagem. Como resultado, colocar centros de reciclagem nos lugares certos pode ter um “impacto enorme”, diz Harper. “Mas haverá um verdadeiro desafio na integração de sistemas e em reunir todas essas partes diferentes de pesquisa.”
Há pouco tempo a perder, diz Abbott. “O que você não quer são 10 anos de produção de uma célula que é absolutamente impossível de separar”, diz ele. “Ainda não está acontecendo, mas as pessoas estão gritando e temendo que isso aconteça”.
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