Abordando o Dilema das Li‑ion: Descarte de Células de Bateria Defeituosas em um Mundo Cada Vez Mais Eletrificado

É um fato bem conhecido que a queima de combustíveis fósseis afeta o nosso meio ambiente. Compostos não apenas por carbono, esses combustíveis também contêm hidrogênio, nitrogênio e enxofre. Quando queimados, os combustíveis fósseis liberam uma mistura de monóxido de carbono, dióxido de carbono e água, juntamente com óxidos de nitrogênio e enxofre. Essas substâncias, particularmente tóxicas em altas concentrações, representam sérias ameaças à saúde e à segurança. Significativamente, a emissão de dióxido de carbono é um dos principais contribuintes para o aquecimento global, ressaltando o impacto ambiental da combustão de combustíveis fósseis. 

A necessidade de abandonar os combustíveis fósseis resultou em um aumento exponencial da demanda por baterias. Refletindo essa tendência, os pesquisadores projetam que o tamanho do mercado global de baterias crescerá de US$112 bilhões em 2021 para US$424 bilhões em 2030. O mercado abrange várias categorias de baterias, como íon‑lítio, óxido de zinco‑manganês, chumbo‑ácido, níquel‑hidreto metálico, níquel‑cádmio, sódio‑enxofre, níquel‑zinco, pequenas baterias seladas de chumbo‑ácido, baterias de fluxo, entre outras.

No entanto, as baterias de íon‑lítio e chumbo‑ácido constituem a maior parte deste cenário de mercado de baterias, deixando a cauda longa para as demais categorias.

Se analisarmos o tamanho do mercado de US$424 bilhões para 2023, mais de US$257 bilhões, ou mais de 60% de todo o mercado de baterias, serão ocupados por baterias de íon‑lítio. Mais de US$121 bilhões, 27% do mercado, serão ocupados por baterias chumbo‑ácido. Essas duas categorias juntas ocupam mais de 87% do mercado, deixando cerca de 13% para as demais categorias competirem.

Onde Estas Baterias São Implantadas?

As baterias de íon‑lítio são comumente encontradas na maioria dos dispositivos eletrônicos portáteis ao nosso redor, incluindo celulares e laptops. Elas também são a escolha principal para a maioria dos veículos totalmente elétricos e híbridos plug‑in (PHEVs), que estão ganhando tração a um ritmo significativamente rápido.

As baterias chumbo‑ácido, por outro lado, não são tão eficientes quanto as baterias de íon‑lítio. Elas têm baixa energia específica, não apresentam bom desempenho em condições de baixa temperatura e possuem um ciclo de vida mais curto. Seu uso generalizado se deve principalmente ao baixo custo. Contudo, há um desenvolvimento contínuo de baterias chumbo‑ácido avançadas – atualmente – para uso em veículos comerciais elétricos para cargas auxiliares.

As baterias níquel‑hidreto metálico são usadas em computadores e equipamentos médicos e também são significativas em veículos híbridos elétricos. Com o aumento constante do uso de produtos eletrônicos e o crescimento consistente da participação de mercado dos veículos elétricos, o uso de baterias tende a aumentar inevitavelmente.

No entanto, essas baterias têm vida útil limitada e eventualmente precisam ser descartadas. Isso apresenta um desafio em um mundo cada vez mais eletrificado – o descarte de células de bateria defeituosas. Existem soluções, mas antes de explorá‑las mais a fundo, é crucial examinar a causa raiz com mais profundidade.

Vida Útil das Baterias: Uma Visão Geral Breve

As baterias podem diferir em capacidade, local de uso e material de que são compostas. Cada fator desempenha um papel em quanto tempo uma bateria deve durar. A categoria mais popular de baterias é a íon‑lítio. E os veículos elétricos são a categoria de uso que emprega essas baterias em grande escala. 

As baterias que os VEs utilizam assemelham‑se às usadas em nossos celulares e laptops. Elas apresentam muitas vantagens, incluindo alta energia por unidade de massa e volume comparado a outros sistemas de armazenamento de energia elétrica, alta relação potência‑peso, alta eficiência energética, desempenho eficiente em altas temperaturas, longa vida útil e baixa autodescarga. 

As baterias de VEs utilizam pacotes que consistem em mais de dois mil células individuais de íon‑lítio trabalhando em conjunto. Cada pacote de bateria é projetado com capacidade para manter sua capacidade de carga‑descarga por até entre 100.000 e 200.000 milhas. E, quando medido em anos, a maioria das baterias de VEs tem uma expectativa de vida de 15 a 20 anos dentro do carro.

Os Riscos do Descarte de Células de Bateria Defeituosas

De acordo com a Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos (EPA), a maioria das baterias de íon‑lítio seria classificada como resíduo perigoso sob a Lei de Conservação e Recuperação de Recursos (RCRA). Uma vez descartadas, essas baterias são frequentemente inflamáveis e reativas. Apesar de parecerem totalmente descarregadas e descartáveis para o usuário, as baterias Li‑ion frequentemente retêm cargas significativas, representando um risco.

Além disso, baterias de lítio danificadas e não totalmente seladas podem ser extremamente perigosas se entrarem em contato com água durante o descarte. O significativo conteúdo metálico nas baterias Li‑ion, que é difícil de eliminar e nocivo ao meio ambiente, aumenta a preocupação.

Um relatório de avaliação científica destacou que as baterias Li‑ion contêm altas concentrações de alumínio, cobalto e cobre. Estudos adicionais revelam a natureza perigosa das baterias Li‑ion defeituosas devido ao seu teor de chumbo (média 6,29 mg/L; σ = 11,1; limite 5). 

De acordo com as regulamentações da Califórnia, a presença de níveis excessivos de cobalto (média 163.544 mg/kg; σ = 62.897; limite 8.000), cobre (média 98.694 mg/kg; σ = 28.734; limite 2.500) e níquel (média 9.525 mg/kg; σ = 11.438; limite 2.000) classifica todas as baterias de lítio como perigosas.

As concentrações lixiviadas de cromo, chumbo e tálio nessas baterias também excedem os limites regulatórios da Califórnia. Além de causar toxicidade aos humanos e ao ecossistema ao nosso redor, as baterias Li‑ion também resultam em esgotamento de recursos, uma preocupação grave para o nosso futuro. 

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Como Reciclar Células de Bateria Defeituosas?

Os perigos que o descarte de células de bateria defeituosas apresenta exigem reciclagem. Contudo, reciclar uma bateria defeituosa pode ser perigoso. O manuseio inadequado de células de bateria defeituosas pode causar curto‑circuito, combustão e liberação de gases tóxicos. 

A chave está em métodos de reciclagem eficientes, que não apenas evitam a poluição, mas também criam oportunidades para gerar um fluxo secundário sustentável de materiais críticos. Um desses métodos eficientes para reciclagem de baterias de íon‑lítio foi desenvolvido por pesquisadores do Oak Ridge National Library, do Departamento de Energia.

A solução envolve imergir a bateria usada em uma solução de ácido cítrico natural, presente organicamente em frutas cítricas. A solução de ácido cítrico é dissolvida em etilenoglicol, e a mistura ajuda a conduzir um processo de separação e recuperação altamente eficiente para separar metais do cátodo, o eletrodo positivamente carregado da bateria. 

Um processo de recuperação eficiente para o cátodo significa custos de bateria reduzidos, já que o cátodo contribui com mais de 30% do custo da bateria, devido à presença de materiais críticos. O método de reciclagem pode lixiviar quase todo o cobalto e lítio do cátodo sem tornar o sistema impuro. Ele pode recuperar mais de 96% do cobalto em poucas horas. Não há necessidade de adicionar mais produtos químicos para equilibrar manualmente os níveis de ácido. 

Segundo Lu Yu, o pesquisador principal do projeto:

 “Esta é a primeira vez que um sistema de solução cobre as funções de lixiviação e recuperação.”

Além desses esforços de pesquisa em laboratório, que serão escalados para produção no futuro, várias empresas já assumiram a tarefa de reciclar baterias de íon‑lítio defeituosas e descartadas. Vamos analisar algumas delas nos segmentos a seguir. 

1. American Battery Technology Company

A American Battery Technology Company (ABAT ) desenvolveu um processo de reciclagem de bateria em ciclo fechado para separar e recuperar materiais críticos de baterias que se aproximam do fim de sua vida útil. Contudo, seus esforços não param na separação e recuperação. 

O processo envolve a purificação desses metais de bateria para as mesmas especificações de qualidade ou superiores. Segundo a empresa, seu sistema possui várias vantagens competitivas. Seu design estratégico garante zero operações em alta temperatura e impede emissões de poluentes atmosféricos e líquidos. Além disso, as instalações de reciclagem correspondem ao volume de produção das fábricas, gerando resíduos mínimos e exigindo baixos custos de capital para implantação.

O relatório financeiro do Primeiro Trimestre de 2024, publicado pela empresa, listou seus principais marcos rumo a operações geradoras de receita. Notavelmente, a empresa projetou, comissionou e iniciou operações em sua primeira instalação de reciclagem em escala comercial, ostentando um rendimento nominal de 20.000 toneladas métricas por ano. 

A empresa também garantiu duas concessões do DOE dos EUA sob contrato e recentemente tornou‑se elegível para duas concessões adicionais, totalizando US$70 milhões em fundos federais contratados. Ela listou suas ações com sucesso e iniciou a negociação na Nasdaq em 21 de setembro de 2023. 

No momento da redação, o preço das ações da American Battery Technology Company era $3,99 e tinha uma capitalização de mercado superior a $188 milhões. 

2. Lithion Technologies

A Lithion Technologies produz de forma sustentável materiais estratégicos a partir de baterias Li‑ion. Sua tecnologia é capaz de recuperar até 95% dos componentes dessas baterias. 

Na extração mecânica, a Lithion pode recuperar mais de 98% do concentrado de minerais. O concentrado de minerais críticos é então processado por meio de sua tecnologia patenteada de hidrometalurgia. Esse processo permite a recuperação de materiais essenciais como lítio, cobalto, níquel, grafite e manganês. 

Notavelmente, a Lithion afirma que suas tecnologias resultam em um impacto ambiental significativamente menor comparado à extração tradicional de mineração. As emissões de gases de efeito estufa são 75% menores que as da mineração, e ainda reduz o uso de água em impressionantes 90%.

Em abril de 2022, a Lithion recebeu US$22,5 milhões em financiamento do governo de Quebec, incluindo um investimento de US$15 milhões em ações da empresa através da Investissement Québec e US$7,5 milhões em subsídios do Fonds d’électrification et de changements climatiques.

3. Ecobat

A Ecobat opera por meio de uma extensa rede de 65.000 pontos de coleta para gerenciar baterias em fim de vida como parte de suas soluções de reciclagem de armazenamento de energia. Até agora, conquistou quase 15.000 membros ou clientes, reciclando 120 milhões de baterias por ano. 

Para a coleta nos pontos designados, a Ecobat possui sua própria frota de 100 veículos. Com 11 instalações de fundição, lida com baterias de lítio, baterias de chumbo e outras químicas de bateria. A Ecobat também possui um processo de recuperação circular em ciclo fechado, onde 80% de sua recuperação retorna à fabricação de baterias. Ela também promete um percentual de reciclabilidade de 99%. 

A Ecobat afirma ser a maior ‘recycladora’ de baterias do mundo que atende às necessidades essenciais de armazenamento de energia, tornando o negócio de baterias mais seguro e sustentável para uma economia de energia circular. Em 2021, o negócio de reciclagem de baterias de chumbo da Ecobat reciclou totalmente 70 milhões de baterias de carro.

4. Cirba Solutions

A Cirba Solutions possui 60 anos combinados de experiência em reciclagem com três marcas – Battery Solutions, Heritage Battery Recycling e Retriev Technologies – sob sua responsabilidade. É uma das pioneiras na reciclagem de baterias de lítio, com sua própria equipe de reciclagem de baterias, logística centrada em baterias, ciclo de vida em ciclo fechado e instalações de processamento de lítio.

A empresa possui um processo de reciclagem especializado que envolve soluções de química cruzada para componentes à base de cobalto e sem cobalto. Até o momento, processou mais de 36 milhões de libras de íon‑lítio ao longo de mais de 30 anos. 

De acordo com os dados mais recentes disponíveis, a Cirba arrecadou US$50 milhões em sua última rodada corporativa em 9 de fevereiro de 2023. 

Descarte de Células de Bateria Defeituosas: O Escopo Futuro

A presença de baterias de íon‑lítio, essenciais para operar veículos elétricos e alimentar eletrônicos de consumo modernos, tende a se tornar cada vez mais onipresente. Estatisticamente, entre 2022 e 2030, a demanda global por baterias de íon‑lítio aumentará quase sete vezes, atingindo 4,7 TWh em 2030. 

Em termos de produção, a China detém mais de três quartos da capacidade mundial. América do Norte e Europa não ficarão atrás por muito tempo, pois também estão planejando um aumento significativo na produção. Por isso, esforços globais consolidados e bem coordenados serão necessários para garantir que a reciclagem de baterias se torne um processo acessível e sustentável, e só então poderemos salvar o planeta dos riscos de poluição e esgotamento de recursos. 

A China, por exemplo, responsabiliza os fabricantes de automóveis pelo “tratamento de fim de vida” das baterias de veículos. A União Europeia não fica atrás, pois também estabeleceu normas para a coleta e recuperação de baterias. 

Cada vez mais inovações nas aplicações de segunda vida dessas baterias ajudarão a evitar os perigos iminentes da reciclagem ineficiente. Vamos concluir observando um exemplo. Um sistema de armazenamento de energia na Johan Cruijff Arena, em Amsterdã, utiliza o equivalente a 148 baterias Nissan LEAF novas e usadas para capturar energia de 4.200 painéis solares e armazenar até 3 megawatts de potência. Essa captura é suficiente para carregar meio milhão de iPhones como reserva.

Em conclusão, alcançar as metas em escala global requer a participação ativa de todos. Empresas automotivas, fabricantes de eletrônicos de consumo, organismos econômicos globais, conselhos de nações – todos precisarão dar sua voz à reciclagem e recuperação sustentáveis e eficientes de células de bateria defeituosas. 

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