Milhões de carros elétricos estão chegando. O
que acontece com todas as baterias gastas?
Fonte: https://www.sciencemag.org/
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 sanitário, 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, combustão e liberação de 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 (EV) que os fabricantes esperam
produzir nas próximas décadas. As baterias EV 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 era um grande problema quando os EVs eram raros. Mas agora a tecnologia está decolando. Vários fabricantes de automóveis disseram que planejam desativar os motores de combustão dentro de algumas décadas, e analistas da indústria prevêem que pelo menos 145 milhões de veículos elétricos estarão na estrada em 2030, contra apenas 11 milhões no ano passado. “As pessoas estão começando a perceber que isso é um problema”, diz Thompson.
Uma bateria fragmentada de veículo elétrico pode produzir metais recicláveis, mas costuma ser mais barato para os fabricantes de baterias usar novos materiais.
LABORATÓRIO NACIONAL DE ARGONNE.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 EV. Espera-se que a União Europeia finalize seus primeiros
requisitos este ano. Nos Estados Unidos, o governo federal ainda não
aprovou os mandatos 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-extraídos 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 fornecimento de metais essenciais para baterias, controlados por
um ou alguns países. “Por um lado, [descartar baterias EV] 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 EV.
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, na 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”.
AS BATERIAS EV são
construídas um pouco como bonecos aninhados. Normalmente, um pacote
principal contém vários módulos, cada um dos quais construído a partir de
várias células menores (veja o gráfico abaixo). Dentro de cada célula, os
átomos de lítio se movem 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.
Nova vida para células gastas
Os
cientistas estão trabalhando para garantir que as baterias de veículos
elétricos (EV) vendidas hoje possam ser recicladas em 2030 e depois, quando
milhares de baterias chegarão ao fim de suas vidas todos os dias. As
baterias EV vêm em muitos designs, mas geralmente compartilham esses
componentes.
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.
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.
Os círculos de reciclagem
A
pirometalurgia queima as baterias gastas em uma escória e a hidrometalurgia as
dissolve em ácidos. Ambos visam extrair materiais catódicos. O ideal
é a reciclagem direta, que recuperaria o cátodo intacto. Mas para que a
reciclagem seja viável, ela deve ter um custo competitivo em relação aos
materiais extraídos.
O IDEAL é a reciclagem direta, 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 do que piromet ou hidromete”.
Na
reciclagem direta, os trabalhadores primeiro aspirariam o eletrólito e
fragmentariam as células da bateria. Em seguida, eles removeriam
aglutinantes 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 parece com 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 Estados Unidos
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, 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 Estados Unidos determinou no ano passado que ele
representa um “risco irracional” para os trabalhadores.
“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 começar a projetar seus produtos tendo em mente a reciclagem. A
bateria ideal, diz Abbott, seria como um biscoito de Natal, um presente de
feriado 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.
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”.
