O boom atual dos veículos elétricos representa a montanha de lixo eletrônico de amanhã. E, embora inúmeros esforços estejam em andamento para melhorar a reciclagem de baterias, muitas baterias de veículos elétricos ainda acabam em aterros sanitários.

Uma equipe de pesquisa do MIT quer ajudar a mudar isso com um novo tipo de material de bateria automontável que se desintegra rapidamente quando submerso em um líquido orgânico simples. Em um novo artigo publicado na Nature Chemistry , os pesquisadores demonstraram que o material pode funcionar como eletrólito em uma célula de bateria de estado sólido em funcionamento e, em seguida, retornar aos seus componentes moleculares originais em minutos.

A abordagem oferece uma alternativa à trituração da bateria em uma massa mista e difícil de reciclar. Em vez disso, como o eletrólito serve como camada de conexão da bateria, quando o novo material retorna à sua forma molecular original, toda a bateria se desmonta para acelerar o processo de reciclagem.

“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”, afirma o primeiro autor do artigo, Yukio Cho, PhD '23. “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.”

Juntam-se a Cho no artigo o candidato a doutorado Cole Fincher, Ty Christoff-Tempesta PhD '22, o professor de cerâmica da Kyocera Yet-Ming Chiang, a professora associada visitante Julia Ortony, Xiaobing Zuo e Guillaume Lamour.

Há uma cena em um dos filmes da série "Harry Potter" em que o Professor Dumbledore limpa uma casa em ruínas com um movimento de pulso e um feitiço. Cho diz que essa imagem o marcou quando criança. (Que jeito melhor de limpar o quarto?) Quando assistiu a uma palestra de Ortony sobre a engenharia de moléculas para que pudessem se reunir em estruturas complexas e depois retornar à sua forma original, ele se perguntou se isso poderia ser usado para fazer a reciclagem de baterias funcionar como mágica.

Isso representaria uma mudança de paradigma para a indústria de baterias. Hoje, as baterias exigem produtos químicos agressivos, altas temperaturas e processamento complexo para serem recicladas. Há três partes principais em uma bateria: o cátodo com carga positiva, o eletrodo com carga negativa e o eletrólito que transporta os íons de lítio entre eles. Os eletrólitos na maioria das baterias de íons de lítio são altamente inflamáveis ?e se degradam com o tempo em subprodutos tóxicos que exigem manuseio especializado.

Para simplificar o processo de reciclagem, os pesquisadores decidiram criar um eletrólito mais sustentável. Para isso, recorreram a uma classe de moléculas que se automontam em água, denominadas anfifílicas de aramida (AAs), cujas estruturas químicas e estabilidade imitam as do Kevlar. Os pesquisadores projetaram ainda as AAs para conter polietilenoglicol (PEG), que pode conduzir íons de lítio, em uma extremidade de cada molécula. Quando as moléculas são expostas à água, elas formam espontaneamente nanofitas com superfícies e bases de PEG condutoras de íons que imitam a robustez do Kevlar por meio de ligações de hidrogênio estreitas. O resultado é uma estrutura de nanofita mecanicamente estável que conduz íons por sua superfície.

“O material é composto de duas partes”, explica 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 componente de material orgânico forte usado no Kevlar, que é um material à prova de balas. Isso torna toda a estrutura estável.”

Quando adicionadas à água, as nanofitas se automontam para formar milhões de nanofitas que podem ser prensadas a quente até formar um material em estado sólido.

A equipe testou a resistência e a tenacidade do material, constatando que ele poderia suportar as tensões associadas à fabricação e ao funcionamento da bateria. Eles também construíram uma célula de bateria de estado sólido que utilizava fosfato de ferro-lítio como cátodo e óxido de titânio-lítio como ânodo, ambos materiais comuns nas baterias atuais. As nanofitas moveram íons de lítio com sucesso entre os eletrodos, mas um efeito colateral conhecido como polarização limitou o movimento dos íons de lítio para dentro dos eletrodos da bateria durante ciclos rápidos de carga e descarga, prejudicando seu desempenho em comparação com as baterias comerciais padrão atuais.

“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”, diz Cho.

Quando mergulharam a célula da bateria em solventes orgânicos, o material se dissolveu imediatamente, com cada parte da bateria se desintegrando para facilitar a reciclagem. Cho comparou a reação dos materiais à de algodão-doce submerso em água.

“O eletrólito mantém os dois eletrodos da bateria juntos e fornece os caminhos para os íons de lítio”, diz Cho. “Assim, quando você quiser reciclar a bateria, toda a camada de eletrólito pode se desprender naturalmente e você pode reciclar os eletrodos separadamente.”

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

Cho também vê muito espaço para otimizar o desempenho do material com mais experimentos.

Agora, os pesquisadores estão explorando maneiras de integrar esses tipos de materiais em projetos de baterias existentes, bem como implementar as ideias em novas químicas de baterias.

“É muito desafiador convencer os fornecedores existentes a fazer algo muito diferente”, diz 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.”

Cho também acredita que a abordagem poderia ajudar a recuperar o fornecimento de lítio, reutilizando materiais de baterias que já estão nos EUA.

“As pessoas estão começando a perceber a importância disso”, diz Cho. “Se pudermos começar a reciclar baterias de íons de lítio a partir de resíduos de baterias em larga escala, isso terá o mesmo efeito que a abertura de minas de lítio nos EUA. Além disso, cada bateria requer uma certa quantidade de lítio, portanto, extrapolando o crescimento dos veículos elétricos, precisamos reutilizar esse material para evitar picos massivos no preço do lítio.”

O trabalho foi parcialmente financiado pela Fundação Nacional de Ciências e pelo Departamento de Energia dos EUA. Este trabalho foi realizado, em parte, utilizando as instalações de caracterização do MIT.nano.