Revolução da Energia Verde: Resíduos Industriais Impulsionando as Baterias de Próxima Geração

A conscientização sobre questões ambientais tanto entre jovens quanto adultos está crescendo ao redor do mundo. À medida que enfrentamos a ameaça das mudanças climáticas e seus efeitos prejudiciais ao nosso planeta, uma população crescente está preocupada com como suas ações afetam o meio ambiente e participa de movimentos focados em salvar a Terra.

A pesquisa Global Consumer Insights Pulse Survey de 2021 da PwC revelou que metade dos consumidores pesquisados mundialmente disse ter se tornado mais ecológico, enquanto sua pesquisa de 2023 mostra que oito em cada dez consumidores estão dispostos a pagar até 5% a mais por produtos produzidos de forma sustentável.

Em comparação aos resultados da pesquisa de 2019, onde 35% dos entrevistados disseram escolher produtos sustentáveis, 37% disseram procurar embalagens ecologicamente corretas e 41% disseram evitar o uso de plástico quando podiam, os resultados da pesquisa de 2021 mostraram percentuais de dez a 20 pontos mais altos nas mesmas respostas.

Um estilo de vida sustentável está se tornando cada vez mais importante para consumidores ao redor do mundo, que também desejam que empresas e marcas sejam mais sustentáveis e ecológicas.

Essa mudança de comportamento é positiva, considerando que cerca de 2 bilhões de toneladas de resíduos industriais são produzidas anualmente em todo o mundo. Não apenas os resíduos industriais são responsáveis por cerca de metade de todo o lixo, mas apenas cerca de 2% dele é realmente reciclado.

A principal causa dos resíduos industriais são subprodutos de uma ampla variedade de processos, incluindo usinagem de metais, fabricação química, processamento de alimentos, produção farmacêutica e extração de petróleo e gás. Práticas inadequadas de gerenciamento de resíduos podem gerar ainda mais resíduos industriais que impactam negativamente o meio ambiente.

No entanto, com a crescente conscientização entre os consumidores, juntamente com mais países focando em descarte eficaz de resíduos e a demanda por soluções de gerenciamento de resíduos industriais aumentando rapidamente, projeta-se que o mercado global de gerenciamento de resíduos industriais cresça para $1.79 billion by 2032. O surgimento de novas tecnologias e a complexidade dos tipos de resíduos gerados também contribuem para esse crescimento.

Nos EUA, o mercado de Gerenciamento de Resíduos Industriais espera‑se que cresça ainda mais, e projeta‑se que atinja um valor estimado de US$ 323,81 bilhões durante esse período.

Além do gerenciamento de resíduos, pesquisadores e empresas também estão explorando outras formas de lidar com o lixo, como upcycling, redesign de produtos, alternativas biodegradáveis, modelos de economia circular, soluções microbianas e tecnologias inovadoras de reciclagem.

Transformar lixo em tesouro tem sido o mais recente empreendimento dos pesquisadores. Recentemente compartilhamos como uma equipe de pesquisa da Cornell extraiu ouro de resíduos eletrônicos e o utilizou como catalisador para converter CO2 em materiais orgânicos.

Um novo estudo está agora desenvolvendo baterias verdes a partir de resíduos industriais, oferecendo uma alternativa às baterias usadas em nossos dispositivos, como telefones e até carros.

As baterias atualmente em uso dependem de metais como lítio e cobalto, ambos são obtidos por meio de mineração invasiva e intensiva.

A adopção crescente de veículos elétricos, juntamente com a crescente necessidade de e‑bikes, eletrônicos de consumo, armazenamento de energia, ferramentas elétricas e outras aplicações intensivas em baterias, exige uma mudança em relação às soluções baseadas em metais e facilitar a transição para energia verde.

Utilizando Resíduos Industriais para Armazenar Energia

Com a crescente dependência de recursos energéticos renováveis e inerentemente intermitentes, uma equipe de pesquisadores da Northwestern está defendendo o aumento da capacidade de armazenamento de energia para atender às demandas da nossa rede, e para isso, eles transformaram um resíduo orgânico de escala industrial em uma solução de armazenamento eficiente que pode fornecer energia sustentável.

O foco do estudo foi em baterias de fluxo redox (RFB), que são baterias recarregáveis exploradas devido à sua flexibilidade, escalabilidade e longa capacidade de ciclagem. 

O mercado de baterias de fluxo redox atualmente representa uma pequena parte do mercado de baterias, mas projeta‑se que cresça de menos de US$ 300 milhões em 2024 para bem acima de US$ 1 bilhão até 2033. Essa expansão será impulsionada por uma mudança aumentada para fontes de energia renováveis, a necessidade de soluções de armazenamento de energia confiáveis e em grande escala, iniciativas governamentais favoráveis e avanços tecnológicos contínuos para melhorar a eficiência das baterias e reduzir custos.

Os avanços nas RFB as tornam uma opção prática para armazenamento de energia em larga escala, porém apresentam baixa densidade energética. 

Nos últimos anos, o progresso tem sido feito em aumentar a estabilidade de moléculas orgânicas redox‑ativas (ROM), que são vistas como candidatas promissoras para a construção de RFBs sustentáveis para armazenamento de energia em grande escala. A maioria das ROMs em avaliação, no entanto, requer uma síntese de múltiplas etapas, e há disponibilidade limitada de matérias‑primas que obstruem sua aplicação.

Então há o fato de que os anólitos frequentemente carecem de estabilidade. Anólitos são usados em RFBs, onde passam por reações eletroquímicas que produzem energia e armazenam energia. O tipo de anólito usado em RFB pode afetar sua capacidade, reversibilidade e estabilidade.

Portanto, pesquisadores da Northwestern passaram a utilizar um composto orgânico derivado de resíduos industriais como ROM para aplicações de RFB não aquosas (NARFB). Enquanto muitas iterações dessas baterias estão sendo pesquisadas para aplicações em escala de rede, este uso de material orgânico de resíduos marca o primeiro no campo.

A molécula de resíduos é o óxido de trifenilfosfina (TPPO), um subproduto industrial bem conhecido de milhares de toneladas, que é gerado a cada ano por meio de vários processos de síntese orgânica industrial. O subproduto químico, que é quimicamente estável e tem aplicações limitadas, fica inutilizado e precisa ser descartado cuidadosamente.

O subproduto não utilizado, que não tem valor, só é tolerado devido às reatividades impressionantes demonstradas por seu precursor, trifenilfosfina (TPP). 

Com apoio da Northwestern, do Office of Basic Energy Sciences do DOE e da Bolsa de Pesquisa de Pós‑Graduação da National Science Foundation, os pesquisadores, no entanto, conseguiram transformar esse resíduo em um produto valioso por meio de uma reação “one‑pot”. A solução resultante demonstra forte potencial como forma de armazenar energia, abrindo caminho para baterias de fluxo redox orgânicas derivadas de resíduos viáveis.

“Nossa descoberta demonstra o potencial de transformar compostos de resíduos em recursos valiosos, oferecendo um caminho sustentável para a inovação em tecnologia de baterias.”

– Autor principal Christian Malapit, químico da Northwestern e professor assistente no Departamento de Química da Weinberg College of Arts and Sciences

Ele destacou como engenheiros e cientistas de materiais dominam a pesquisa de baterias, mas, como demonstra sua pesquisa, químicos sintéticos também podem “contribuir para o campo ao projetar molecularmente um produto orgânico de resíduos em uma molécula armazenadora de energia”.

Não tão populares quanto o lítio tradicional ou baterias de estado sólido, que armazenam grandes quantidades de energia em eletrodos líquidos ou sólidos respectivamente, as baterias de fluxo redox utilizam uma reação química que facilita o fluxo de energia entre eletrólitos para armazenar energia.

A descoberta mais recente torna as RFB altamente benéficas, visto que utilizam uma molécula orgânica e podem alcançar alta estabilidade bem como alta densidade de energia, aproximando‑se dos concorrentes baseados em metais.

Esses dois parâmetros específicos, segundo a primeira autora Emily Mahoney, candidata a Ph.D. no laboratório Malapit, têm sido “tradicionalmente desafiadores de otimizar simultaneamente”, mas agora que foram demonstrados para uma molécula impulsionada por resíduos, isso é simplesmente “emocionante”.

No entanto, alcançar tanto densidade de energia quanto estabilidade requer encontrar uma maneira que permita que os elétrons se empacotem firmemente sem perder capacidade de armazenamento ao longo do tempo. A equipe de pesquisa encontrou sua estratégia em um artigo de meio século atrás que descrevia a eletroquímica dos óxidos de fosfina, um grupo funcional na química orgânica.

O estudo foi, na verdade, a “primeira instância” de uso de óxidos de fosfina como componente redox‑ativo na pesquisa de baterias.

Óxidos de fosfina reduzidos têm sido tradicionalmente altamente instáveis, mas a abordagem de engenharia molecular do estudo mais recente abordou essa instabilidade, abrindo “caminho para sua aplicação em armazenamento de energia”.

Agora, para avaliar o desempenho da molécula, os pesquisadores realizaram testes usando experimentos estáticos de carga e descarga eletroquímica. Após passar por 350 ciclos de carregamento, uso e recarga da bateria, a equipe constatou que a bateria manteve sua notável saúde e perdeu apenas capacidade insignificante ao longo do tempo.

Ao não apresentar degradação de capacidade em 350 ciclos, o estudo conclui que isso posiciona “esta molécula para liderar o campo, atribuída não apenas ao seu desempenho impressionante, mas também à sustentabilidade dos recursos”.

Quando se trata de baterias de fluxo redox, além do uso do resíduo químico industrial óxido de trifenilfosfina para armazenamento de energia, outras pesquisas que vão desde design inovador de membranas, usando DMQA como material eletrolítico, e ajuste da carga de Hirshfeld de catióis TEMPO também estão contribuindo para o avanço das RFBs.

Outros Resíduos Industriais Impulsionando a Tecnologia de Baterias 

Embora seja um avanço importante, este estudo não está sozinho ao utilizar um resíduo industrial comum não reciclado em um produto útil; ao longo dos anos, vários estudos têm usado resíduos para melhorar a tecnologia de baterias.

Isso inclui o uso de escória de aço, que é um subproduto da fabricação de aço e tem sido explorada para materiais de armazenamento de energia. Em um estudo, pesquisadores criaram células supercapacitoras estruturais verdes (SSCs) com pó de escória de aço (SSP) e pó de vidro (GP) que exibiram boa multifuncionalidade de resistência e capacitância areal. 

Em outro estudo, pesquisadores examinaram o desempenho térmico da escória de aço e descobriram que ela é um material de armazenamento de calor sensível. A ativação com Na2CO3 permitiu aumentar a capacidade de armazenamento de calor do material em mais de 25% e a condutividade térmica em mais de 32%.

O uso do maior subproduto de resíduos da indústria siderúrgica não se limita à pesquisa, porém. Até mesmo o segundo maior produtor de aço do mundo, ArcelorMittal (ARRD.DE ) (MT ), testou o subproduto como armazenamento de energia térmica dentro do processo de produção de aço para reduzir o uso de combustíveis fósseis para aquecimento. A empresa realmente utiliza escória Linz‑Donawitz (LD) para fabricar cerca de 30 novos produtos, que são usados para construir estradas e postes de cerca, como matéria‑prima para cimento e para filtragem de esgoto.

Escória de aço, cinza de carvão e rejeitos de minas, entre outros materiais, também estão sendo utilizados para armazenamento durável de carbono. O potencial de armazenamento de CO2 dos subprodutos industriais é estimado entre 2,9 e 8,5 bilhões de toneladas por ano até 2100, dependendo da produção de resíduos industriais.

A cinza volante é outro material que é subproduto de usinas termelétricas a carvão e está sendo explorada para ânodos de baterias. Pesquisadores da Arábia Saudita utilizaram carbono de cinza volante como material de ânodo para baterias de íons de metais alcalinos, que mostraram capacidades relativamente altas e excelente estabilidade de ciclagem. Em um estudo separado, pesquisadores perceberam o alto valor aditivo do subproduto ao transformá‑lo em pós de silício nanoestruturados e aplicá‑los como materiais ativos de ânodo para baterias de íon‑lítio, exibindo bom desempenho eletroquímico.

Biomassa não utilizada e materiais de resíduos que são gerados durante a produção de energia também podem ser efetivamente utilizados para criar materiais de carbono para dispositivos de armazenamento de energia como baterias, células solares e supercapacitores. Além de aproveitar o resíduo, isso elimina as dificuldades relacionadas à reciclagem segura de componentes de resíduos e ao consumo de combustíveis fósseis. 

Carbons derivados de biomassa são formados convertendo resíduos de plantas e animais em materiais de carbono poroso por processos artificiais. As estruturas resultantes, com sua relativamente alta condutividade, área de superfície e porosidade, tornam‑nos excelentes candidatas para aplicações de armazenamento de energia, especialmente supercapacitores.

Com materiais de carbono amplamente usados em supercapacitores como eletrodos devido à alta porosidade e área de superfície específica, o carbono de biomassa destaca‑se ainda mais por sua ampla origem, baixo custo, alta densidade de potência, vida útil de ciclo prolongada e menor poluição.

Cientistas estão até usando resíduos plásticos para fabricar ânodos de bateria de alto desempenho para a próxima geração de baterias. Uma equipe de cientistas de Singapura desenvolveu um método que envolve a quebra de moléculas quimicamente ligadas em fragmentos menores para fabricar eletrólitos poliméricos a partir de garrafas plásticas de poliéster tereftálico (PET) descartadas.

Depois há a reciclagem de baterias de íon‑lítio antigas, que permite a recuperação de cobalto, lítio e níquel e seu reuso em novos sistemas de armazenamento de energia. 

A grande maioria do fornecimento mundial de lítio (Li) ocorre na natureza como produto primário em salmouras e minérios de rocha dura e é principalmente encontrado na Austrália, China e América Latina. O fornecimento de cobalto, por sua vez (menos de 10% ocorre como produto primário e o restante é produzido como subproduto de minas de cobre e níquel), é dominado pela República Democrática do Congo (RDC), que responde por 65% da produção global.

Portanto, reciclar os componentes de baterias antigas não só reduz o lixo, mas também a necessidade de novas matérias‑primas, que, embora abundantes em oferta, enfrentam o problema de mineração intensiva em recursos e distribuição geográfica limitada.

Empresas Públicas Relevantes 

Agora, vamos dar uma olhada nas empresas que estão avançando em indústrias relacionadas. 

1. Fluence Energy, Inc.

Um fornecedor global de soluções de armazenamento de energia, a Fluence busca impulsionar a transição para energia limpa através do Gridstack Pro, Gridstack, Sunstack, Edgestack e Ultrastack. Há também a Plataforma Fluence IQ, que oferece serviços de IA para gerenciar e otimizar renováveis e armazenamento.

As ações da Fluence Energy, com capitalização de mercado de US$ 3 bilhões, estão sendo negociadas a US$ 16,56, alta de 4,28% no ano até a data. Possui um EPS (TTM) de -0,08 e um P/E (TTM) de -219,92. No trimestre encerrado em 30 de setembro, a empresa reportou receita de US$ 1,3 bilhão e lucro líquido positivo de US$ 67,7 milhões pela primeira vez. A captação de pedidos trimestral foi de US$ 1,2 bilhão, enquanto o backlog aumentou para aproximadamente US$ 4,5 bilhões. Sua posição de caixa, por sua vez, era de US$ 518,7 milhões.

O “maior faturamento e lucratividade de todos os tempos”, o CEO Julian Nebreda observou como “um marco significativo na trajetória de crescimento da empresa”. Olhando para o futuro, Nebreda afirmou estar vendo uma “demanda sem precedentes por soluções de armazenamento de energia em baterias ao redor do mundo, impulsionada principalmente pelo mercado dos EUA”.

2. Waste Management

Focada na reciclagem de resíduos industriais, a Waste Management oferece soluções ambientais que incluem serviços de coleta, reciclagem e descarte para clientes residenciais, comerciais e municipais.

As ações da Waste Management, com capitalização de mercado de US$ 83,29 bilhões, estão sendo negociadas a US$ 207,53, alta de 2,84% no ano até a data. Possui um EPS (TTM) de 6,54 e um P/E (TTM) de 31,71, enquanto o rendimento de dividendos é de 1,45%.

No terceiro trimestre de 2024, a empresa reportou um aumento de 7,9% em sua receita graças à forte execução de preços, preços de mercado mais altos para as commodities recicláveis que vende e um aumento significativo nos volumes de aterros. A Waste Management completou agora oito projetos de reciclagem no trimestre, e mais da metade de sua automação planejada e novos projetos contribuíram com 1,5 milhão de toneladas de capacidade de reciclagem anual em toda a América do Norte.

“Nossos fortes resultados foram liderados por nosso negócio de Coleta e Descarte, onde nossos esforços focados na retenção de linha de frente, otimização de nossa estrutura de custos e fornecimento de serviço diferenciado aos nossos clientes impulsionaram o crescimento dos lucros.”

– CEO Jim Fish

Conclusão

Os resíduos industriais estão em constante crescimento devido ao aumento da população e ao avanço tecnológico, e se não forem geridos adequadamente, podem causar consequências mortais. Além da poluição do ar e da água, esses resíduos levam à degradação do solo, ao aquecimento global e a danos ao nosso ecossistema. Considerando que apenas uma pequena parte desses resíduos é reciclada, as descobertas mais recentes que transformam resíduos industriais em um agente de armazenamento de energia são extremamente benéficas para o meio ambiente e pavimentam o caminho rumo a um futuro sustentável e mais saudável.

Clique aqui para uma lista das principais ações de baterias.