À medida que aumenta a preocupação com os impactos das mudanças climáticas, muitos especialistas estão pedindo maior uso de eletricidade como um substituto para os combustíveis fósseis. Alimentado por avanços na tecnologia de bateria, o número de veículos híbridos e elétricos plug-in nas estradas dos EUA está aumentando. E as concessionárias estão gerando uma parcela cada vez maior de sua energia a partir de combustíveis renováveis, apoiadas por sistemas de armazenamento de bateria em grande escala.

Essas tendências, juntamente com um volume crescente de telefones, relógios, laptops, dispositivos vestíveis e outras tecnologias de consumo alimentados por bateria, nos deixam imaginando: o que acontecerá com todas essas baterias quando elas se desgastarem?

Apesar do enorme entusiasmo por baterias mais baratas, mais potentes e com alto consumo de energia, os fabricantes prestaram comparativamente pouca atenção em tornar esses dispositivos essenciais mais sustentáveis. Nos EUA, apenas cerca de 5% das baterias de íon-lítio – a tecnologia preferida para veículos elétricos e muitos produtos de alta tecnologia – são realmente reciclados. Como as vendas de veículos elétricos e aparelhos de tecnologia continuam a crescer, não está claro quem deve lidar com o lixo perigoso de bateria ou como fazê-lo.

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Como engenheiros que trabalham em projetando materiais avançados, Incluindo baterias, acreditamos que é importante pensar sobre essas questões agora. Criar caminhos para que os fabricantes de baterias criem processos de manufatura sustentáveis ​​de produção para reciclagem que atendam aos padrões do consumidor e ambientais pode reduzir a probabilidade de uma crise de resíduos de bateria na próxima década.

Conteúdo perigoso

As baterias apresentam desafios mais complexos de reciclagem e descarte do que metais, plásticos e produtos de papel, porque contêm muitos componentes químicos que são tóxicos e difíceis de separar.

Alguns tipos de baterias amplamente utilizadas – notavelmente, baterias de chumbo-ácido em carros movidos a gasolina – têm produtos químicos relativamente simples e designs que os tornam fáceis de reciclar. As baterias alcalinas ou à base de água não recarregáveis ​​comuns que alimentam dispositivos como lanternas e alarmes de fumaça podem ser descartadas diretamente em aterros sanitários.

No entanto, as baterias de íon de lítio atuais são altamente sofisticadas e não foram projetadas para serem recicladas. Eles contêm produtos químicos perigosos, como sais de lítio tóxicos e metais de transição, que podem causar danos ao meio ambiente e contaminar as fontes de água. Baterias de lítio usadas também contêm energia eletroquímica incorporada – uma pequena quantidade de carga que sobra depois que eles não podem mais alimentar dispositivos – o que pode causar incêndios ou explosões, ou prejudicar as pessoas que lidam com eles.

Além disso, os fabricantes têm pouco incentivo econômico para modificar os protocolos existentes para incorporar projetos amigáveis ​​à reciclagem. Hoje isso custa mais para reciclar uma bateria de íon de lítio do que os materiais recuperáveis ​​dentro dela valem.

Como resultado, a responsabilidade pelo manuseio dos resíduos da bateria freqüentemente recai sobre recicladores terceirizados – empresas que ganham dinheiro com a coleta e processamento de recicláveis. Freqüentemente, é mais barato armazenar as baterias do que tratá-las e reciclá-las.

Tecnologias de reciclagem que podem quebrar baterias, como pirometalurgia, ou queimando, e hidrometalurgia, ou lixiviação ácida, estão se tornando mais eficiente e econômico. Mas a falta de infraestrutura adequada de reciclagem de baterias cria obstáculos ao longo de toda a cadeia de abastecimento.

Por exemplo, o transporte de baterias usadas por longas distâncias para centros de reciclagem normalmente seria feito por caminhão. As baterias de lítio devem ser embaladas e enviadas de acordo com o Departamento de Transporte dos EUA Regulamentos de materiais perigosos de Classe 9. Usando um modelo desenvolvido pelo Argonne National Laboratory, estimamos que essa exigência aumente os custos de transporte em mais de 50 vezes os da carga normal.

Mais seguro e simples

Embora seja um desafio incorporar a reciclabilidade na fabricação existente de baterias convencionais de íon-lítio, é vital desenvolver práticas sustentáveis ​​para baterias de estado sólido, que são uma tecnologia de próxima geração que deve entrar no mercado nesta década.

Uma bateria de estado sólido substitui o eletrólito líquido orgânico inflamável em baterias de íon-lítio por um eletrólito sólido inorgânico não inflamável. Isso permite que a bateria opere em uma faixa de temperatura muito mais ampla e reduz drasticamente o risco de incêndios ou explosões. Nosso equipe de nanoengenheiros está trabalhando para incorporar a facilidade de reciclagem no desenvolvimento de baterias de estado sólido de próxima geração antes que essas baterias entrem no mercado.

Conceitualmente, as baterias de fácil reciclagem devem ser seguras para manusear e transportar, simples de desmontar, econômicas de fabricar e minimamente prejudiciais ao meio ambiente. Depois de analisar as opções, escolhemos uma combinação de produtos químicos específicos em baterias de estado sólido de última geração que atende a esses requisitos.

Nossa estratégia de design reduz o número de etapas necessárias para desmontar a bateria e evita o uso de combustão ou produtos químicos prejudiciais, como ácidos ou solventes orgânicos tóxicos. Em vez disso, emprega apenas materiais seguros e de baixo custo, como álcool e técnicas de reciclagem à base de água. Essa abordagem é escalonável e ecologicamente correta. Simplifica drasticamente os processos convencionais de reciclagem de bateria e torna seguro para desmontar e manusear os materiais.