Os pesquisadores estão mais preocupados com o cobalto, que é o ingrediente mais valioso das baterias EV atuais. Dois terços do fornecimento global são extraídos da República Democrática do Congo. Ativistas de direitos humanos expressaram preocupações sobre as condições locais, em particular sobre o trabalho infantil e os danos à saúde dos trabalhadores; como outros metais pesados, o cobalto é tóxico se não for manuseado adequadamente. Fontes alternativas podem ser exploradas, como os 'nódulos' ricos em metais encontrados no fundo do mar, mas eles apresentam seus próprios riscos ambientais. E o níquel, outro componente importante das baterias EV, também pode enfrentar escassez 3 .
Gerenciando metais
Para resolver os problemas com matérias-primas, vários laboratórios têm feito experiências com cátodos com baixo teor de cobalto ou sem cobalto. Mas os materiais do cátodo devem ser cuidadosamente projetados para que suas estruturas cristalinas não se quebrem, mesmo que mais da metade dos íons de lítio sejam removidos durante o carregamento. E abandonar completamente o cobalto geralmente reduz a densidade de energia de uma bateria, diz o cientista de materiais Arumugam Manthiram da Universidade do Texas em Austin, porque ele altera a estrutura cristalina do cátodo e quão fortemente ele pode ligar o lítio.
Manthiram está entre os pesquisadores que resolveram esse problema - pelo menos no laboratório - mostrando que o cobalto pode ser eliminado dos catodos sem comprometer o desempenho 4. “O material sem cobalto que relatamos tem a mesma estrutura cristalina do óxido de lítio-cobalto e, portanto, a mesma densidade de energia”, ou ainda melhor, diz Manthiram. Sua equipe fez isso ajustando a maneira como os cátodos são produzidos e adicionando pequenas quantidades de outros metais - enquanto retém a estrutura de cristal de óxido de cobalto do cátodo. Manthiram diz que deve ser simples adotar esse processo nas fábricas existentes e fundou uma empresa start-up chamada TexPower para tentar trazê-lo ao mercado nos próximos dois anos. Outros laboratórios ao redor do mundo estão trabalhando em baterias sem cobalto: em particular, o pioneiro fabricante de EV Tesla, com sede em Palo Alto, Califórnia, disse que planeja eliminar o metal de suas baterias nos próximos anos.
Sun Yang-Kook, da Universidade Hanyang em Seul, Coreia do Sul, é outro cientista de materiais que alcançou desempenho semelhante em catodos livres de cobalto. Sun diz que alguns problemas técnicos podem permanecer na criação dos novos cátodos, porque o processo depende do refino de minérios ricos em níquel, que podem exigir caras atmosferas de oxigênio puro. Mas muitos pesquisadores agora consideram o problema do cobalto essencialmente resolvido. Manthiram e Sun “mostraram que você pode fazer materiais realmente bons sem cobalto e [que] têm um desempenho muito bom”, diz Jeff Dahn, químico da Dalhousie University em Halifax, Canadá.
Trabalhadores extraem cobalto perto de uma mina entre Lubumbashi e Kolwezi, na República Democrática do Congo. Crédito: Federico Scoppa / AFP / Getty
O níquel, embora não seja tão caro quanto o cobalto, também não é barato. Os pesquisadores também desejam removê-lo. “Abordamos a escassez de cobalto, mas como estamos crescendo muito rapidamente, estamos indo direto para um problema de níquel”, diz Gerbrand Ceder, cientista de materiais do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley em Berkeley, Califórnia. Mas a remoção do cobalto e do níquel exigirá a troca para estruturas de cristal radicalmente diferentes para materiais catódicos.
Uma abordagem é adotar materiais chamados sais de rocha desordenados. Eles recebem esse nome por causa de sua estrutura cristalina cúbica, que é semelhante à do cloreto de sódio, com o oxigênio desempenhando o papel do cloro e uma mistura de metais pesados substituindo o sódio. Durante a última década, a equipe de Ceder e outros grupos mostraram que certos sais de rocha ricos em lítio permitem que o lítio deslize facilmente para dentro e para fora - uma propriedade crucial para permitir carregamentos repetidos 5 . Mas, ao contrário dos materiais catódicos convencionais, os sais de rocha desordenados não requerem cobalto ou níquel para permanecerem estáveis durante esse processo. Em particular, eles podem ser feitos com manganês, que é barato e abundante, diz Ceder.
Reciclar melhor
Se as baterias forem feitas sem cobalto, os pesquisadores enfrentarão uma consequência indesejada. O metal é o principal fator que torna econômica a reciclagem das baterias, pois outros materiais, principalmente o lítio, são atualmente mais baratos de minerar do que reciclar.
Em uma usina de reciclagem típica, as baterias são primeiro trituradas, o que transforma as células em uma mistura em pó de todos os materiais usados. Essa mistura é então decomposta em seus constituintes elementares, seja por liquefação em uma fundição (pirometalurgia) ou por dissolução em ácido (hidrometalurgia). Finalmente, os metais são precipitados da solução como sais.
Uma trituradora mecânica tritura os módulos de bateria, mostrados aqui na planta de reciclagem de Duesenfeld na Alemanha. Crédito: Wolfram Schroll / Duesenfeld
Os esforços de pesquisa têm se concentrado na melhoria do processo para tornar o lítio reciclado economicamente atraente. A grande maioria das baterias de íon-lítio é produzida na China, Japão e Coréia do Sul; consequentemente, os recursos de reciclagem estão crescendo mais rapidamente lá. Por exemplo, a Guangdong Brunp, com sede em Foshan, subsidiária da CATL, maior fabricante de células de íon-lítio da China, pode reciclar 120.000 toneladas de baterias por ano, de acordo com um porta-voz. Isso é o equivalente ao que seria usado em mais de 200.000 carros, e a empresa consegue recuperar a maior parte do lítio, cobalto e níquel. As políticas governamentais estão ajudando a encorajar isso: a China já tem incentivos financeiros e regulatórios para empresas de baterias que compram materiais de empresas de reciclagem em vez de importar os recém-extraídos, diz Hans Eric Melin,
A Comissão Europeia propôs requisitos estritos de reciclagem de baterias que podem ser implementados a partir de 2023 - embora as perspectivas para o bloco desenvolver uma indústria de reciclagem doméstica sejam incertas 6 . A administração do presidente dos EUA Joe Biden, enquanto isso, quer gastar bilhões de dólares para promover uma indústria doméstica de fabricação de baterias EV e apoiar a reciclagem, mas ainda não propôs regulamentos além da legislação existente classificando as baterias como resíduos perigosos que devem ser descartados com segurança . Algumas start-ups norte-americanas dizem que já podem recuperar a maioria dos metais de uma bateria, incluindo o lítio, a custos competitivos com os de mineração, embora analistas digam que, nesta fase, a economia geral só é vantajosa por causa de o cobalto.
O pó da bateria moído, ou 'massa negra', é limpo das placas na instalação de reciclagem de baterias da Li-Cycle em Kingston, Ontário, Canadá. Crédito: Christinne Muschi / Bloomberg / Getty
Uma abordagem mais radical é reutilizar os cristais catódicos, em vez de quebrar sua estrutura, como a hidro e a pirometalurgia fazem. ReCell, a colaboração de US $ 15 milhões gerenciada por Spangenberger, inclui três laboratórios nacionais, três universidades e vários participantes da indústria. Está desenvolvendo técnicas que permitirão aos recicladores extrair os cristais catódicos e revendê-los. Uma etapa crucial, depois que as baterias foram fragmentadas, é separar os materiais do cátodo do resto usando calor, produtos químicos ou outros métodos. “O motivo pelo qual estamos tão entusiasmados em manter a estrutura do cristal é que foi preciso muita energia e know-how para colocá-la junto. É aí que está grande parte do valor ”, diz Linda Gaines, química física da Argonne e analista principal da ReCell.
Essas técnicas de reprocessamento funcionam com uma variedade de estruturas e composições cristalinas, diz Gaines. Mas se um centro de reciclagem recebe um fluxo de resíduos que inclui muitos tipos de bateria, vários tipos de material catódico acabarão no caldeirão de reciclagem. Isso pode complicar os esforços para separar os diferentes tipos de cristal catódico. Embora os processos desenvolvidos pela ReCell possam separar facilmente níquel, manganês e cobalto de outros tipos de células, como as que usam fosfato de ferro-lítio, por exemplo, eles terão dificuldade em separar dois tipos que contêm cobalto e níquel, mas em formas diferentes proporções. Por essa e outras razões, será crucial que as baterias tenham algum tipo de código de barras padronizado que diga aos recicladores o que está dentro, diz Spangenberger.
Trabalhador da montadora Renault se prepara para desmontar uma bateria. A empresa afirma que está reciclando todas as baterias de veículos elétricos - por enquanto, apenas algumas centenas por ano. Crédito: Olivier Guerrin, Photothèque Veolia
Outro obstáculo potencial é que a química dos cátodos está em constante evolução. Os cátodos que os fabricantes usarão daqui a 10-15 anos - no final do ciclo de vida dos carros atuais - podem muito bem ser diferentes dos de hoje. A maneira mais eficiente de retirar os materiais poderia ser o fabricante coletar suas próprias baterias no final do ciclo de vida. E as baterias devem ser projetadas desde o início, de forma que sejam mais fáceis de desmontar, acrescenta Gaines.
O cientista de materiais Andrew Abbott, da Universidade de Leicester, no Reino Unido, argumenta que a reciclagem será muito mais lucrativa se pular o estágio de trituração e desmontar as células diretamente. Ele e seus colaboradores desenvolveram uma técnica de separação de materiais catódicos por ultrassom 7 . Isso funciona melhor em células de bateria compactadas em vez de enroladas (como as células 'cilíndricas' comuns) e, acrescenta Abbott, pode tornar os materiais reciclados muito mais baratos do que os metais virgens de mineração. Ele está envolvido em um esquema de pesquisa do governo do Reino Unido de £ 14 milhões (US $ 19 milhões) sobre sustentabilidade de baterias, chamado ReLiB.
Aumente o volume
Qualquer que seja o processo de reciclagem que se torne padrão, a escala ajudará. Embora os relatos da mídia tendam a descrever o dilúvio de baterias gastas como uma crise iminente, os analistas veem isso como uma grande oportunidade, diz Melin. Assim que milhões de baterias grandes começarem a chegar ao fim de suas vidas, as economias de escala entrarão em ação e tornarão a reciclagem mais eficiente - e o caso de negócios para isso mais atraente.
Um pipeline de produção de carros elétricos na fábrica da Nio em Hefei, China. Crédito: Qilai Shen / Bloomberg / Getty
Analistas dizem que o exemplo das baterias de chumbo-ácido - aquelas que dão partida aos carros a gasolina - dá motivos para otimismo. Como o chumbo é tóxico, essas baterias são classificadas como resíduos perigosos e devem ser descartadas com segurança. Mas uma indústria eficiente se desenvolveu para reciclá-los, embora o chumbo seja barato. “Mais de 98% das baterias de chumbo-ácido são recuperadas e recicladas”, diz Kamath. “O valor de uma bateria de chumbo-ácido é ainda menor do que uma bateria de íon de lítio. Mas, por causa do volume, faz sentido reciclar de qualquer maneira ”, diz Melin.
Pode demorar um pouco até que o mercado de baterias de íon de lítio atinja seu tamanho máximo, em parte porque essas baterias se tornaram excepcionalmente duráveis: as baterias de carros atuais podem durar até 20 anos, diz Kamath. Em um carro elétrico típico vendido hoje, a bateria vai durar mais que o veículo em que foi construída, diz Melin.
Isso significa que, quando os VEs antigos são enviados para o lixo, as baterias geralmente não são jogadas fora nem recicladas. Em vez disso, eles são retirados e reutilizados para aplicações menos exigentes, como armazenamento de energia estacionária ou motorização de barcos. Depois de dez anos de uso, uma bateria de carro como a do Nissan Leaf, que originalmente carregava 50 quilowatts-hora, terá perdido no máximo 20% de sua capacidade.
Outro relatório de maio da IEA, uma organização conhecida por suas previsões historicamente cautelosas, incluiu um roteiro 8 para atingir emissões globais líquidas zero até meados do século, que inclui a conversão para transporte elétrico como pedra angular. A confiança de que isso é alcançável reflete um consenso crescente entre formuladores de políticas, pesquisadores e fabricantes de que os desafios para a eletrificação de carros agora são inteiramente solucionáveis - e se quisermos ter alguma esperança de manter as mudanças climáticas em um nível administrável, não há tempo a perder .
Mas alguns pesquisadores reclamam que os veículos elétricos parecem ser mantidos em um padrão impossível em termos de impacto ambiental de suas baterias. “Seria lamentável e contraproducente descartar uma boa solução insistindo em uma solução perfeita”, diz Kamath. “Isso não significa, é claro, que não devemos trabalhar agressivamente na questão do descarte da bateria.”
Nature 596 , 336-339 (2021)
doi: https://doi.org/10.1038/d41586-021-02222-1
Referências
- 1
Agência Internacional de Energia. O Papel dos Minerais Críticos nas Transições de Energia Limpa (IEA, 2021); disponível em https://www.iea.org/reports/the-role-of-critical-minerals-in-clean-energy-transitions
- 2
BloombergNEF. Electric Vehicle Outlook 2021 (BNEF, 2021); disponível em https://about.bnef.com/electric-vehicle-outlook
- 3
Baars, J., Domenech, T., Bleischwitz, R., Melin, HE & Heidrich, O. Nature Sustain . 4 , 71–79 (2021).
- 4
Li, W., Lee, S. & Manthiram, A. Adv. Mater. 32 , 2002718 (2020).
- 5
Yang, JH, Kim, H. & Ceder, G. Molecules 26 , 3173 (2021).
- 6
Melin, HE et al. Science 373 , 384–387 (2021).
- 7
Lei, C. et al. Green Chem. 23 , 4710–4715 (2021).
- 8
Agência Internacional de Energia. Zero líquido até 2050: Um roteiro para o setor de energia global (IEA, 2021); disponível em https://www.iea.org/reports/net-zero-by-2050
