O conceito de material pode tornar as baterias mais fáceis de reciclar

Renderização de baterias feitas com novo material eletrolítico (Foto: Cortesia da equipe de pesquisa do MIT)

Uma equipe do MIT (Instituto de Tecnologia de Massachusetts) publicou um artigo descrevendo o desenvolvimento de um material que pode ser usado como eletrólito em uma bateria de estado sólido, mas que depois retorna aos seus componentes moleculares originais quando submerso em um líquido orgânico.

O material ofereceria uma alternativa ao atual processo de reciclagem de baterias, que consiste na trituração da embalagem para formar uma "massa preta", que deve então passar por uma série de processos químicos para recuperar cada material reciclável.

“Até agora, na indústria de baterias, nos concentramos em materiais e designs de alto desempenho e só mais tarde tentamos descobrir como reciclar baterias feitas com estruturas complexas e materiais difíceis de reciclar”, disse o primeiro autor do artigo, Yukio Cho.

Nossa abordagem é começar com materiais facilmente recicláveis e descobrir como torná-los compatíveis com baterias. Projetar baterias para reciclabilidade desde o início é uma nova abordagem.

Os eletrólitos na maioria das baterias de íons de lítio são altamente inflamáveis e se degradam com o tempo, produzindo subprodutos tóxicos que exigem manuseio especial.

Para criar o eletrólito mais sustentável, a equipe usou uma classe de moléculas conhecidas como anfifílicos de aramida (AAs), que têm uma estrutura e estabilidade que imitam o Kevlar (o material usado em coletes à prova de balas).

Os pesquisadores então projetaram AAs para incorporar polietilenoglicol (PEG) em cada extremidade da molécula. Quando essas moléculas modificadas são expostas à água, elas formam espontaneamente nanofitas com superfícies de PEG condutoras de íons e uma base que imita o Kevlar por meio de fortes ligações de hidrogênio. Essa estrutura de nanofita pode conduzir íons através de sua superfície de PEG.

Quando adicionadas à água, milhões de nanofitas se automontam para formar uma massa que pode ser prensada a quente até virar um material em estado sólido.

“O material é composto de duas partes”, explicou Cho. “A primeira parte é essa cadeia flexível que nos fornece um ninho, ou hospedeiro, para os íons de lítio se movimentarem. A segunda parte é esse forte componente de material orgânico usado no Kevlar. Isso torna toda a estrutura estável.”

Cinco minutos após ser adicionada à água, a solução se torna gelatinosa, indicando que há tantas nanofitas formadas no líquido que elas começam a se entrelaçar. O interessante é que podemos produzir esse material em larga escala devido ao seu comportamento de automontagem.

A equipe construiu uma célula de estado sólido usando um cátodo de fosfato de íons de lítio e um ânodo de óxido de titânio e lítio, ambos materiais comuns em baterias modernas. As nanofitas moveram com sucesso os íons de lítio entre os eletrodos, mas observou-se que a polarização limitou o movimento dos íons de lítio durante a carga e a descarga. Isso reduziu o desempenho em comparação com baterias "padrão ouro".

“Os íons de lítio se moveram ao longo da nanofibra sem problemas, mas levar o íon de lítio das nanofibras até o óxido metálico parece ser o ponto mais lento do processo”, disse Cho.

Quando imerso em um solvente orgânico, o material se dissolve imediatamente, com cada parte do material caindo, o que ajudaria na reciclagem eficiente dos materiais individuais.

Cho disse que o material é uma prova de conceito que demonstra a abordagem de reciclagem em primeiro lugar.

Não queremos dizer que resolvemos todos os problemas com este material. O desempenho da nossa bateria não foi fantástico porque usamos apenas este material como eletrólito completo para o papel, mas o que estamos imaginando é usar este material como uma camada no eletrólito da bateria. Não precisa ser o eletrólito completo para iniciar o processo de reciclagem.

Agora, a equipe analisará a otimização do desempenho do material, ao mesmo tempo em que explora maneiras de integrá-lo aos projetos de baterias existentes.

“É muito desafiador convencer os fornecedores existentes a fazer algo muito diferente”, disse Cho. “Mas com novos materiais para baterias que podem ser lançados em cinco ou dez anos, pode ser mais fácil integrar isso em novos projetos desde o início.”