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A battery that has reached the end of its life is, for the most part, a problem to be shipped away. Researchers at Worcester Polytechnic Institute want it to become a source of parts for a new battery. In a study published in Advanced Energy Materials, a team led by professor Yan Wang converted mixed battery waste into upcycled materials for both the cathode and the anode, and built pouch cells (flat, sealed batteries) from them that outlasted cells made with commercial materials.
Uma bateria que chegou ao fim da vida é, na maior parte dos casos, um problema a enviar para longe. Investigadores do Worcester Polytechnic Institute querem que se torne uma fonte de componentes para uma nova bateria. Num estudo publicado na Advanced Energy Materials, uma equipa liderada pelo professor Yan Wang converteu resíduos de baterias misturados em materiais revalorizados para o cátodo e para o ânodo, e construiu com eles células pouch (baterias planas e seladas) que duraram mais do que células feitas com materiais comerciais.
The pressure behind the work is easy to state. As lithium-ion battery use grows, so does the demand for critical materials and the volume of discarded batteries. Many current recycling methods focus on recovering the cathode, and mixed battery waste is difficult to process into products of high value. The team therefore set out to upgrade both the cathode and the graphite recovered from that waste, rather than stopping at raw materials.
A pressão por trás deste trabalho é fácil de enunciar. À medida que a utilização de baterias de iões de lítio aumenta, aumentam também a procura de materiais críticos e o volume de baterias descartadas. Muitos dos métodos de reciclagem atuais concentram-se na recuperação do cátodo, e os resíduos misturados de baterias são difíceis de transformar em produtos de elevado valor. A equipa propôs-se, por isso, melhorar tanto o cátodo como a grafite recuperados desses resíduos, em vez de se ficar pelas matérias-primas.
The process works in two steps. Mixed, low-nickel cathode material is converted into a high-performance cathode called NMC622, and recovered graphite is purified and modified to become battery-grade anode material. Tests found improved lithium-ion transport and cycling stability in the cathode, and better interfacial kinetics and durability in the graphite anode. When the team assembled full pouch cells using only these upcycled parts, the cells showed fewer side reactions and approximately twice the cycle life of cells built with commercial materials, retaining 70% of their capacity after 2,590 cycles.
O processo funciona em duas etapas. O material de cátodo misto, pobre em níquel, é convertido num cátodo de elevado desempenho designado NMC622, e a grafite recuperada é purificada e modificada até se tornar um material de ânodo de qualidade para baterias. Os testes revelaram melhor transporte de iões de lítio e maior estabilidade de ciclo no cátodo, bem como uma cinética interfacial e uma durabilidade superiores no ânodo de grafite. Quando a equipa montou células pouch completas apenas com estas peças revalorizadas, as células apresentaram menos reações secundárias e cerca de duas vezes a vida útil de ciclo das células construídas com materiais comerciais, mantendo 70 % da capacidade após 2 590 ciclos.
The team also estimated what the route could mean outside the laboratory. According to their analyses, it could use more than 95% of waste materials, increase profitability by 22.9%, and reduce greenhouse gas emissions by 27% and energy consumption by 29.4% compared with the reference recycling route. These are estimates from the researchers' own analyses, not measurements from an operating plant, and the study does not give costs or a timetable for industrial use.
A equipa estimou também o que a via poderia significar fora do laboratório. Segundo as suas análises, poderia aproveitar mais de 95 % dos materiais residuais, aumentar a rentabilidade em 22,9 % e reduzir as emissões de gases com efeito de estufa em 27 % e o consumo de energia em 29,4 % em comparação com a via de reciclagem de referência. São estimativas das análises dos próprios investigadores, não medições de uma unidade em funcionamento, e o estudo não apresenta custos nem um calendário para a utilização industrial.
For recyclers, the gain would be turning waste that is hard to sell into components that battery makers can use directly. For battery manufacturers, it points to a more circular supply, with fewer resources and less energy needed to produce new materials. The authors describe a path beyond recovering raw materials toward making high-performance batteries from complex waste. Whether that path reaches factories, and how quickly, depends on tests beyond the laboratory that the study does not yet report.
Para os recicladores, o ganho seria transformar resíduos difíceis de vender em componentes que os fabricantes de baterias podem utilizar diretamente. Para os fabricantes de baterias, aponta para um abastecimento mais circular, com menos recursos e menos energia necessária para produzir novos materiais. Os autores descrevem um caminho que vai além da recuperação de matérias-primas, em direção à produção de baterias de elevado desempenho a partir de resíduos complexos. Saber se esse caminho chega às fábricas, e com que rapidez, depende de testes para além do laboratório que o estudo ainda não apresenta.