As baterias de íons de lítio (Li-ion) são o tipo de bateria usada para Veículos Elétricos (VE) e para armazenamento de energia. A célula da bateria produz energia elétrica através da eletrólise química e pode representar cerca de 70% do custo da bateria. Um eletrólito líquido, baseado em hexafluorofosfato de lítio (LiPF6), é comumente usado. A classificação da bateria é normalmente baseada na composição química do catodo. Os mais comuns são:
- LCO: óxido de cobalto de lítio
- NCM: lítio, níquel, manganês, óxido de cobalto
- NCA: óxido de alumínio, níquel, cobalto, lítio
- LFP: fosfato de ferro e lítio
Em 2022, o tipo NCM continuou sendo dominante com uma participação de 60% do mercado, seguido do tipo LFP com uma participação de pouco menos de 30% e o NCA com cerca de 8%. As células LFP à base de ferro são muito mais baratas e também mais seguras, com a desvantagem de terem densidade de energia mais baixa (W/kg), ou seja, maior peso por capacidade. Esta distribuição mercadológica é impulsionada pelas preferências dos fabricantes de automóveis.
O anodo é tipicamente de grafite, porém a tendência atual é incorporar 2% de silício (Si) para melhorar a capacidade de armazenamento da célula, embora com redução do ciclo de vida da bateria.
Essas baterias requerem uma mistura de materiais críticos, particularmente lítio, cobalto, níquel e manganês. Quase 60% do lítio atualmente usado no mundo destina-se à produção de baterias, podendo chegar a 95% até 2030. As reservas de lítio são teoricamente suficientes para cobrir a demanda esperada de baterias nesse período. Porém existe alta concentração de fontes. Mais da metade dos recursos globais estimados de lítio estão localizados nas salinas da Bolívia, Chile e Argentina, grande parte na Bolívia. Austrália e China também possuem reservas significativas.
Aproximadamente 75% do cobalto extraído hoje é originário da República Democrática do Congo (RDC). Espera-se que a oferta futura aumente, impulsionada pelo crescimento da mineração associada a de cobre na RDC e da mineração associada ao níquel no Sudeste Asiático. A oferta de manganês deve permanecer estável até 2030, podendo a demanda aumentar ligeiramente e, portanto, uma pequena escassez de oferta pode ser possível.
Demanda: À medida que o mundo avança em sua transição energética, a demanda por baterias para veículos elétricos e para armazenamento de energia tem aumentado fortemente tanto na China como na Europa e nos Estados Unidos. Com isso, baterias se transformaram em um elo importante da transição energética e uma das principais forças motoras do aumento de consumo de materiais críticos para energia limpa.
A demanda global de baterias para aplicações de energia limpa aumentou dois terços em 2022, com o armazenamento de energia se tornando uma parte crescente da demanda total. A demanda por baterias em veículos ultrapassou a taxa de crescimento das vendas de carros elétricos, pois o tamanho médio da bateria para carros elétricos continuou a aumentar em quase todos os principais mercados. A previsão aponta para uma divisão mais equilibrada entre as duas químicas mais comuns para catodo: fosfato de ferro e lítio (LFP) e lítio, níquel, manganês, óxido de cobalto (NCM). Um novo tipo de bateria, de íon de sódio, poderá ser uma alternativa às baterias de íon de lítio porque o sódio é mais abundante e mais barato que o lítio. Esse novo tipo de bateria teria a dupla vantagem de proporcionar um custo menor (30% menos) e de evitar completamente a necessidade de lítio, cobalto e níquel. No entanto, essas baterias ainda são uma tecnologia emergente em desenvolvimento e não comercializável, embora tenham tido progresso no início de 2023.
As vendas de carros elétricos aumentaram 60% em 2022, ultrapassando 10 milhões de unidades. Os sistemas de armazenamento de energia também experimentaram um crescimento ainda mais rápido, com acréscimos de capacidade dobrando em 2022. As instalações solares fotovoltaicas continuam quebrando recordes anteriores, e a energia eólica deve retomar sua marcha ascendente. Isso levou a um aumento significativo na demanda por minerais críticos. De 2017 a 2022, a demanda do setor de energia foi o principal fator por trás da triplicação da demanda geral por lítio, um salto de 70% na demanda por cobalto e um aumento de 40% na demanda por níquel.
Espera-se que a demanda global por baterias Li-ion aumente na próxima década, aumentando de cerca de 700 GWh em 2022 para cerca de 4.700 GWh até 2030. As baterias para aplicações de mobilidade, como veículos elétricos (VEs), representarão a maior parte da demanda em 2030 – cerca de 4.300 GWh (91%).
Usos: No campo energético os principais usos de baterias são para VEs (principal volume) e armazenamento de energia. O uso de baterias envolve preocupações quanto: a quantidade de materiais críticos necessários; reciclagem após primeira vida; descarte de rejeitos de fabricação e das baterias ao final da vida útil.
Dessa forma, é importante discutir sobre a expectativa de vida dessas baterias, em especial as baterias de uso veicular. E, devido ao relativo curto número de anos que temos de uso de veículos elétricos, a expectativa de vida dessas baterias somente pode ser estimada por testes de laboratório e garantias, ambos oriundos de fabricantes.
Relativamente a garantias, a maioria dos fabricantes garante a performance dessas baterias por 8 a 12 anos. O Departamento de Energia dos EUA recomenda de 8 a 12 anos para veículos usados em clima extremo (quente ou frio) e 12 a 15 anos para clima moderado. Alguns governos também estabeleceram requerimentos de garantia mínima. Assim nos EUA é exigido o mínimo de 8 anos (ou 100.000 mi), na Califórnia, 10 anos (ou 150.000 mi) e na Nova Zelândia 10 anos sem limite de milhas.
Estudos de laboratório estimam que essas baterias degradem sua capacidade ao redor de 2,3% ao ano, o que faria sua capacidade reduzir-se a 80% (mínimo para o veículo operar normalmente) em 10 anos. Esses mesmos estudos mostram que alguns fatores de uso reduzem a vida, como por exemplo: (i) veículos que frequentemente tenham carga acima de 80% e descarga abaixo de 20%; (ii) proprietários que frequentemente permitem a descarga completa; (iii) veículos estacionados por longo tempo em áreas de temperatura extrema (alta ou baixa): (iv) veículos que ficam estacionados por vários dias com carregador ligado; (v) veículos que frequentemente usam a carga rápida.
Portanto o tempo de vida da bateria veicular somente pode ser estimado. Caso considerarmos a média de 10 anos de vida útil, no ano em que, como estimam os fabricantes de veículos, todos os novos carros sejam elétricos, teríamos no mundo (a nível do consumo atual de veículos) agregação de 70 milhões de novos veículos cujas baterias teriam que ser recicladas ou destinadas a outro uso.
Reciclagem: À medida que a indústria cresce e amadurece, a reciclagem e a reutilização de baterias se tornarão vitais tanto para a cadeia de suprimentos quanto para a responsabilidade ambiental e social. Três possíveis caminhos de fim de vida surgem para enfrentar esse desafio, cada um com uma etapa de processamento diferente. Provavelmente, o conceito mais direto é o reparo de baterias para reuso em veículos elétricos, estendendo sua vida útil. Uma segunda opção, a reutilização de baterias em outras aplicações de segunda vida (como armazenamento de energia em rede). Por fim, o uso de materiais de baterias recicladas como insumos para a fabricação de novas baterias, o que aliviaria as pressões de demanda sobre os principais minerais críticos.
As baterias Li-ion são feitas de minerais críticos. Atualmente, cobalto, manganês e níquel são frequentemente recuperáveis na reciclagem. O lítio também pode ser recuperado, mas muitas vezes terá que ser reprocessado para que possa ser usado novamente. No entanto, o custo da recuperação do material continua sendo um desafio para a indústria.
Os atuais modelos de negócios de reciclagem são caros e fortemente dependentes de vários fatores, incluindo design da bateria, qualidade do processo de reciclagem e mudanças no mercado ou demanda de matéria-prima. Além disso, desafios operacionais, como acesso limitado a materiais de bateria, processos ineficientes e baixos rendimentos resultantes de tecnologias imaturas, continuam sendo problemas persistentes no setor de reciclagem.
Uma ampla reciclagem de baterias evitaria que materiais perigosos entrassem no destino final de resíduos sólidos da sociedade, tanto no final da vida útil da bateria quanto durante sua produção. A recuperação de material da reciclagem também reintroduz materiais críticos de volta na cadeia de abastecimento e aumenta as fontes de tais materiais. Ainda está em andamento o desenvolvimento de processos de reciclagem de baterias que minimizem os impactos do ciclo de vida do uso de íons de lítio e outros tipos de baterias. Os processos de reciclagem em consideração requerem diferentes métodos de separação para recuperação de material:
Fundição: Os processos de fundição recuperam elementos básicos. Esses processos já estão operando em escala industrial e podem aceitar vários tipos de baterias, incluindo Li-ion. A fundição ocorre em altas temperaturas onde os materiais orgânicos, incluindo o eletrólito e os anodos de carbono, são queimados como combustível. Os metais valiosos são recuperados e encaminhados para refino para que o produto esteja apto para qualquer uso. Os outros materiais, incluindo o lítio, estão contidos na escória, que pode ser usada como aditivo para concreto.
Recuperação direta: Alguns processos de reciclagem recuperam materiais diretamente. Os componentes são separados por uma variedade de processos físicos e químicos, e, por separação física, os materiais ativos e metais podem ser recuperados. A recuperação direta é um processo de baixa temperatura com exigência mínima de energia. Porém é um processo lento envolvendo bastante mão de obra.
Separar os diferentes tipos de materiais de bateria costuma ser um obstáculo na recuperação de materiais de alto valor. Portanto, o design da bateria que considere a desmontagem e a reciclagem é importante, bem como a padronização de baterias, materiais e design de células podem tornar a reciclagem mais fácil e econômica.
No processo de reciclagem cuidado especial deve ser adotado na desmontagem das baterias Li-ion pois as mesmas são sensíveis a choques e ao calor podendo entrar em um processo de superaquecimento que pode provocar explosão e incêndio. Quando isso ocorre a mistura gasosa gerada e liberada é inflamável, consistindo em várias misturas de hidrogênio, monóxido de carbono, dióxido de carbono e vários hidrocarbonetos, incluindo metano e propano. A ignição desses gases resulta em cenários de incêndio e explosão que representam um risco significativo para a vida e a propriedade ao redor.
Embora a emissão de gases tóxicos possa ser uma ameaça maior que o calor, o conhecimento de tais emissões é limitado. Investigações feitas mediram emissões de gás fluoreto durante incêndios de diferentes tipos de baterias comerciais de íon-lítio. Os resultados mostram que grandes quantidades de fluoreto de hidrogênio (HF) podem ser geradas, e outro gás potencialmente tóxico, o fluoreto de fósforo (POF3), foi encontrado em alguns dos testes de incêndio.
Reutilização: Além da reciclagem, muitos fabricantes estão pesquisando como as baterias veiculares poderiam ser reaproveitadas quando atingirem a idade de aposentadoria. O tempo que as baterias gastam em um veículo elétrico geralmente é apenas o começo de sua vida útil. Depois de removidas do carro, a maioria das baterias ainda estará apta para outras aplicações, como armazenamento de energia na rede elétrica ou em residências. No entanto, não há respostas definitivas sobre o que acontecerá com as baterias veiculares quando não forem mais recicláveis.
Quando as baterias chegarem ao fim de sua vida útil, elas deverão ser recicladas em definitivo, o que normalmente envolve a separação de materiais valiosos, e a queima do material não reciclável. As baterias de íon-lítio contêm metais que são tóxicos podendo contaminar o abastecimento de água e os ecossistemas caso venham a vazar se forem descartadas em aterros sanitários. Além disso, incêndios em aterros ou instalações de reciclagem de baterias foram atribuídos ao descarte ou manejo inadequado de baterias de íon-lítio.
Os países devem criar regulação adequada para que as baterias de fim de vida sejam devidamente recolhidas. Fabricantes de veículos devem ser encarregados do ciclo completo de uso das baterias veiculares recolhendo as degradadas e destinando-as adequadamente. Um exemplo é o da Nova Zelândia onde a Associação da Indústria Automotiva possui um Código de Conduta que os membros devem ter sistemas adequados para monitorar o uso, captura, devolução, recondicionamento, reutilização, reciclagem e/ou descarte das baterias.
Bateria com eletrólito sólido: Nas últimas décadas, as baterias de íons de lítio baseadas em eletrólitos líquidos têm sido a principal escolha de tecnologia para sistemas de armazenamento de energia em larga escala e VEs. Devido aos inconvenientes do eletrólito líquido, vários empreendedores estão desenvolvendo um novo tipo de bateria de estado sólido. Nesse novo tipo, o eletrólito líquido e o separador são substituídos por eletrólito sólido, resultando em uma bateria sem nenhuma fase líquida. Apesar das características vantajosas isso ainda representa uma tecnologia relativamente nova com uma lacuna de conhecimento em relação aos mecanismos de interface, design e desempenho da célula.
CONCLUSÃO: O setor energético está enfrentando grandes mudanças com o objetivo de descarbonização. As atenções têm se concentrado na oferta de energia limpa. Embora existam outras fontes limpas, os investimentos têm se concentrado em fontes solar fotovoltaica (pv) e eólica devido aos custos mais favoráveis. Porém essas fontes, por sua intermitência, exigem complementação por reserva de energia. Baterias estão sendo usadas para tal. A Califórnia, por exemplo, já tem instalado 5.600 MW de baterias que operam normalmente entre as 16 e 20 horas.
As ações de transição energética têm incluído também a transição na área de mobilidade. A quase totalidade dos fabricantes de automóveis já decidiram implantar plataformas de carros elétricos, inclusive com datas (entre 2030 e 2035) para fabricação exclusiva desses tipos de veículos.
Essas ações já em curso terão reflexos significativos na necessidade de novos minerais críticos que exigirão identificação de novas reservas, investimentos em exploração mineradora e de refino desses minerais. Trarão também reflexos nas necessidades de reciclagem e descarte ao final da vida útil de baterias, painéis solares e hélices de eólicas. Neste artigo nos concentramos nas baterias.