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Aug 07, 2023

Uma visão fenomenológica e quantitativa sobre a degradação de eletrodos positivos de lítio gasto

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 5671 (2023) Citar este artigo 1188 Acessos 3 Detalhes da Altmetric Metrics O presente estudo trata da observação fenomenológica da corrosão de

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 5671 (2023) Citar este artigo

1188 acessos

3 Altmétrico

Detalhes das métricas

O presente estudo trata da observação fenomenológica da corrosão da folha do eletrodo positivo de baterias de íon-lítio contendo LiNi0,6Co0,2Mn0,2O2 (NMC) como material catódico. Devido à presença de umidade, forma-se acúmulo localizado de água na superfície do NMC. A água absorvida pelo eletrólito reage com o NMC sob troca Li+/H+ e o aumento de pH resultante leva à dissolução da folha transportadora e a flores características semelhantes a sal na superfície do NMC. Com o aumento da área relativa ocupada pelos furos na folha de alumínio por tempo, foi encontrado um parâmetro suficientemente adequado para determinar quantitativamente a extensão da corrosão. O grau de degradação depende do tempo e da umidade ambiente. Foi demonstrado que a reciclagem funcional com o método de jato de água não é mais aplicável para folhas degradadas, uma vez que a estabilidade mecânica das folhas diminui à medida que a corrosão progride. Lítio, alumínio, enxofre e oxigênio foram detectados nas florações usando SEM – EDX e espectroscopia de decomposição induzida por laser (LIBS). Descobriu-se que a camada NMC subjacente contém principalmente alumínio e um teor de lítio significativamente menor do que o material não degradado. As análises de microscopia SEM e Raman também mostraram que o material ativo também é degradado localmente e, portanto, não é mais adequado para reciclagem funcional.

As baterias de íons de lítio (LIBs) tornaram-se a tecnologia dominante para armazenamento de energia elétrica nas últimas décadas. As áreas de aplicação desta tecnologia incluem smartphones, laptops, tablets, ferramentas, bem como aplicações de mobilidade, como bicicletas elétricas ou carros elétricos. LIBs são fabricados em vários designs. Eles estão disponíveis como células cilíndricas, prismáticas ou chamadas de células em bolsa. Por exemplo, LiCoO2 (LCO), LiMnO2 (LMO), LiNixMnyCozO2 (NMC), LiNixCoyAlzO2 (NCA) ou LiFePO4 (LFP) são usados ​​como materiais catódicos. Grafite e cada vez mais silício ou Li4Ti5O12 (LTO) são usados ​​como materiais anódicos. LiPF6 é frequentemente usado como sal condutor no eletrólito orgânico. Apresenta condutividade iônica muito alta e leva à passivação do coletor de alumínio do eletrodo positivo1.

Tendo chegado ao fim da sua vida útil, as baterias de iões de lítio não representam resíduos, mas são uma importante fonte de matéria-prima para todos os elementos que são urgentemente necessários para a produção de novas baterias. Em escala industrial, processos baseados em etapas de processos pirometalúrgicos, térmicos e hidrometalúrgicos têm sido desenvolvidos nos últimos anos, ao final dos quais há sempre a separação química do material catódico (NMC) constituído por lítio, níquel, manganês e cobalto em os sais puros dos elementos individuais. No entanto, tais processos requerem uma quantidade considerável de energia, bem como reagentes muito diferentes2,3,4,5,6,7,8,9,10,11.

Em contraste, estão a entrar no foco da ciência novas abordagens que são consideravelmente mais eficientes em termos energéticos e de recursos do que os processos utilizados até agora, que são referidos na literatura como reciclagem direta11 ou reciclagem funcional12. Este método visa recuperar o material catódico com o menor uso possível de reagentes, mantendo em grande parte suas propriedades morfológicas, físicas e químicas, para que possa ser reutilizado diretamente ou regenerado para a produção de novas células de bateria .

A primeira implementação industrial do princípio da reciclagem funcional no mundo é encontrada na decapagem de eletrodos positivos por um processo de jato de água. Neste processo, o revestimento composto por NMC, negro de fumo condutor e ligante é cuidadosamente removido da folha de suporte de alumínio usando um jato de água de alta pressão, ao qual podem ser opcionalmente misturados vários aditivos. Esta tecnologia comparativamente simples torna este processo o mais eficiente e ecológico em comparação com outros processos de reciclagem industrial conhecidos13. Uma vantagem particular deste processo é a alta qualidade do material do reciclado NMC recuperado, de modo que pode ser usado diretamente como uma mistura em novo material catódico para a produção de novos eletrodos positivos .