Uma equipe de pesquisa científica da Universidade Cornell, nos Estados Unidos, anunciou recentemente que desenvolveu um novo processo de tratamento de banho eletroquímico que pode “rejuvenescer” eletrodos descartados de baterias de íons de lítio sem danificar a estrutura da bateria, restaurando sua capacidade para cerca de 95% do nível original, e espera-se que reduza os custos de reciclagem de baterias em cerca de 56%. Este resultado foi publicado na revista "Energy and Environmental Science" e é considerado uma potencial tecnologia chave para promover a reciclagem de baterias de lítio e reduzir a carga ambiental.

A reciclagem tradicional de baterias de lítio geralmente requer a trituração física de toda a bateria e, em seguida, a extração de metais importantes, como lítio, níquel, cobalto e manganês, por meio de processos complexos e que consomem energia, como pirometalurgia ou hidrometalurgia, para uso na fabricação de novos eletrodos. Neste processo, a bateria precisa primeiro ser completamente descarregada, um grande número de peças auxiliares, incluindo peças estruturais e sistemas de gerenciamento, devem ser desmontadas e, em seguida, as células contendo eletrodos, eletrólitos e separadores devem ser esmagadas mecanicamente. As partículas misturadas formadas após a trituração precisam passar por várias rodadas de triagem para remover flocos de plástico e metal, deixando apenas uma mistura chamada "pó preto" e, em seguida, entrar na fundição em alta temperatura ou lixiviação química para purificar o metal. Este modelo não só tem um processo longo, alto consumo e custo de energia, mas também produz uma certa quantidade de poluição do ar e consumo de água.

A equipe da Universidade Cornell apontou que na maioria dos veículos elétricos e sistemas de armazenamento de energia, a principal causa da aposentadoria da bateria de lítio não é a destruição física do corpo do eletrodo, mas o crescimento excessivo da camada de interface de eletrólito sólido (SEI) na superfície do eletrodo. SEI é uma película fina formada naturalmente na superfície do eletrodo, necessária para o funcionamento normal da bateria. No entanto, após centenas ou mesmo milhares de cargas e descargas, esta camada continuará a engrossar, fazendo com que a impedância aumente e a capacidade diminua. Os esqueletos dos eletrodos de um grande número de baterias obsoletas ainda estão intactos e são cobertos apenas por uma espessa camada SEI, que ainda contém materiais essenciais como lítio, níquel, cobalto, manganês, cobre e alumínio.

Em resposta a este fenômeno, a equipe de pesquisa científica propôs um novo processo denominado "Regeneração direta de eletrodo a eletrodo" (abreviadamente DEER). Nesse processo, a bateria usada não é mais esmagada como um todo, mas é aberta e os eletrodos são totalmente retirados e fixados no coletor de corrente. Os eletrodos foram então imersos em uma solução eletroquímica contendo 1,3-dimetil-2-imidazolidinona, permitindo que a solução dissolvesse seletivamente a camada SEI excessivamente espessa, preservando a estrutura volumétrica do eletrodo. Após a conclusão da dissolução, apenas uma fina película de fluoreto de lítio permanece na superfície do eletrodo, o que ajuda a estabilizar a interface e inibir o crescimento excessivo subsequente de SEI. Os eletrodos após esse tratamento de “banho de regeneração” podem ser diretamente montados em novas baterias para reutilização.

Resultados experimentais mostram que as baterias de lítio regeneradas pelo processo DEER podem ser restauradas para aproximadamente 95% de sua capacidade original e apresentam melhor estabilidade no ciclo de vida. O líder do projeto, Vibha Kalra, professor do Departamento de Engenharia Química da Universidade Cornell, disse que este método não requer esmagar os eletrodos até virar pó e prepará-los novamente, mas "reparo in-situ" dos eletrodos existentes, o que encurta muito o caminho de reciclagem dos materiais da bateria. A equipe conduziu uma avaliação de impacto técnico-econômico e ambiental do processo usando software de código aberto desenvolvido em parceria com o ReCell Center do Laboratório Nacional Argonne do Departamento de Energia dos EUA. Os resultados da análise mostram que, em comparação com as rotas de reciclagem tradicionais, o DEER pode reduzir o custo de fabricação de baterias recicladas em aproximadamente 56%, reduzir as emissões de poluentes atmosféricos nocivos e o consumo de água de processo, e reduzir o custo de fabricação da produção de novos eletrodos.

Os pesquisadores testaram ainda a viabilidade de regenerações múltiplas: em uma bateria de “segunda vida” que foi colocada em serviço novamente após ser regenerada pelo DEER e mostrou perda de capacidade, a equipe usou repetidamente o mesmo processo para regeneração. Os resultados mostram que a bateria de “terceira vida” ainda pode manter cerca de 90% de sua capacidade original após a segunda regeneração, indicando que este método de banho eletroquímico tem potencial para reparo multiciclo. Os experimentos atuais estão focados principalmente na degradação do desempenho causada pelo crescimento da camada SEI, e a próxima etapa da pesquisa será estendida a outros tipos de mecanismos de envelhecimento da bateria, como a perda de lítio.

Kalra disse que o estado de saúde das baterias usadas atualmente em testes é de cerca de 70% a 80%, o que equivale ao estado de baterias obsoletas em cenários de aplicação de veículos elétricos. Se mais mecanismos de degradação puderem ser reparados no futuro, espera-se que esta tecnologia expanda ainda mais a gama de estados de saúde das baterias renováveis. A equipa também expandiu os seus objetivos de aplicação para baterias de nível industrial e outros sistemas de armazenamento de energia de iões de lítio em grande escala, na esperança de promover este processo de regeneração em infraestruturas energéticas de maior escala. A Universidade Cornell acredita que a tecnologia de regeneração de banhos eletroquímicos deverá se tornar um elo fundamental na economia circular das baterias de lítio, melhorando a eficiência da utilização de recursos e reduzindo ao mesmo tempo a pressão do sistema de reciclagem sobre o meio ambiente.