Como recuperar materiais de baterias de celular usadas?
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2014
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Os pesquisadores desenvolveram um método para recuperar elementos químicos importantes presentes nas baterias de Ni-MH, como níquel, cobalto, ferro e metais terras raras. |
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A substituição de baterias de Ni-MH pelas baterias mais eficientes de íon-lítio gerou um problema: o que fazer com as baterias usadas? Enterrá-las ou queimá-las gera poluição, além de custar caro. Uma possibilidade seria recuperar parte dos materiais utilizados na fabricação dessas baterias.
Baterias de Ni-MH, em particular, são produzidas com metais altamente valorizados pela indústria. Entram na sua composição ferro (usado na produção de aço), níquel (usado em revestimentos de carros, motos e bicicletas), cobalto (usado na fabricação de ligas magnéticas ou eletrodos de baterias) e metais terras raras (usados na fabricação de ímãs permanentes e baterias de carros elétricos).
A pesquisa realizada no Espírito Santo é importante, pois apresenta um método de extração desses materiais. Em particular, o método descrito permite obter lantânio, metal atualmente bastante usado na fabricação de baterias de carros elétricos, e óxido de lítio-cobalto, usado na produção de eletrodos de baterias de íon-lítio.
Saiba mais: Como as baterias de Ni-MH geram eletricidade?
As baterias de níquel-hidreto metálico (Ni-MH) são formadas por vários compostos químicos, incluindo níquel (Ni), lantânio (La) e cobalto (Co). Além disso, as ligas metálicas (MH) das baterias de Ni-MH contêm hidrogênio (H). É esse elemento, com apenas um elétron em sua composição, que dá origem à corrente elétrica da bateria.
Baterias em geral possuem duas partes essenciais: os eletrodos positivos e negativos. A movimentação de elétrons entre esses dois eletrodos é que gera uma corrente elétrica. Essa corrente elétrica fornece a energia necessária para o funcionamento de aparelhos celulares e laptops.
Durante a descarga de uma bateria, ocorre oxidação nos eletrodos negativos. Na reação de oxidação, o hidrogênio acoplado à liga metálica (MH) desprende-se dela e se une a íons hidróxido (OH-) presentes no interior da bateria, gerando água (H2O) e um elétron. Esse elétron, oriundo do átomo de hidrogênio da liga metálica, é transferido do eletrodo negativo para o eletrodo positivo.
No eletrodo positivo, ocorre a redução, reação que transforma o óxi-hidróxido de níquel (NiOOH) presente nesse eletrodo em hidróxido de níquel (Ni(OH)2), uma substância que possui um elétron a mais. Assim, elétrons são transferidos de um eletrodo para o outro. É essa reação de oxirredução que gera corrente elétrica na bateria.
Quando a bateria é recarregada, o processo se inverte, ocorrendo a oxidação do Ni(OH)2, que volta a ser NiOOH, e a redução da liga metálica (M), que ganha H e volta a ser MH. Esse processo de recarga é movido pela energia fornecida por um carregador. Nesse caso, a energia elétrica não vem de dentro da própria bateria, mas é fornecida por uma fonte externa (uma tomada ligada à rede elétrica da casa, por exemplo). O descarte de baterias é uma preocupação ambiental, pois metais tóxicos e pesados, que fazem parte de sua composição, podem contaminar solo, plantas e animais. Nos últimos anos, baterias de Ni-MH que eram usadas em telefones celulares e computadores portáteis vem sendo gradativamente substituídas por baterias de íons-lítio, pois possuem maior capacidade de armazenamento e menor perda de energia. Devido a essa substituição, uma grande quantidade de baterias usadas de Ni-MH foi acumulada, necessitando maneiras apropriadas de descarte ou de reutilização. Nesse sentido, pesquisa realizada em conjunto pelo Departamento de Química da Universidade Federal do Espírito Santo e pelo Instituto Federal do Espírito Santo (campus Aracruz), desenvolveu um método para recuperar elementos químicos importantes presentes nas baterias de Ni-MH, como níquel, cobalto, ferro e metais terras raras. Dois desses elementos são recuperados na forma de compostos, hidróxidos de níquel e de cobalto, que foram usados na síntese de óxido de lítio-cobalto, matéria-prima para as modernas baterias de íon-lítio. Esse trabalho foi publicado no periódico “Química Nova” da Sociedade Brasileira de Química. A pesquisa consistiu em uma sequência de reações químicas controladas para a extração gradual dos elementos químicos das baterias de Ni-MH. As baterias foram desmontadas e suas partes constituintes, incluindo eletrodos positivos e negativos, foram separadas. Em seguida, os cientistas reuniram os eletrodos negativos (MH) das baterias, dissolveram-nos em ácido, filtraram a solução líquida resultante e adicionaram a ela soda cáustica (hidróxido de sódio). Isso fez com que os metais terras raras lantânio (La) e cério (Ce), originalmente presentes na liga metálica, se agregassem e precipitassem, formando um novo sólido. Esse sólido foi separado do resto da solução aquosa e suas características moleculares foram avaliadas com técnicas de espectroscopia. A composição química do sólido obtido foi determinada com difração de raios X, que confirmou a presença dos elementos La e Ce. A estrutura das partículas metálicas recuperadas pôde ser observada por microscopia eletrônica de varredura, o que possibilitou a ampliação de sua imagem em 10 mil vezes (Figura 1). Para extrair os outros metais de interesse, os pesquisadores realizaram novas sequências de adição de ácidos, bases e outros reagentes em concentrações específicas, o que levou à formação de novos sólidos dentro do líquido. Esses sólidos foram então separados do líquido por centrifugação (rotação em alta velocidade) e secos. Níquel, cobalto e ferro não foram obtidos como metais puros, mas sim na forma de hidróxidos, como hidróxido de níquel (Ni(OH)2), hidróxido de cobalto (Co(OH)2) e hidróxido de ferro (Fe(OH)3). Em uma última etapa do processo, o Ni(OH)2 foi misturado com um composto de lítio (Li), gerando o cobiçado óxido de lítio-cobalto (LiCoCO2), material usado na fabricação de eletrodos positivos em baterias de íon-lítio. Como nas etapas anteriores, a composição dos materiais obtidos foi confirmada com o uso de espectroscopia de raios X (Figura 2). A Figura 2 representa um difratograma de raios X que confirma a presença de LiCoCO2 na amostra. Os raios X são lançados em ângulos diferentes em relação às partículas sólidas e são refratados em direção a um detector. O detector registra a intensidade da difração dos raios X em cada ângulo. Os ângulos que geram picos fornecem informação sobre a estrutura do material. O padrão de picos observado é consistente com o que seria esperado em um cristal contendo óxido de lítio-cobalto, confirmando sua presença no material. Micrografia dos compostos recuperados das terras raras. Aumento: 10000x Os compostos foram obtidos a partir de baterias usadas de telefones celulares. A figura mostra que os compostos se organizam em estrutura hexagonal, formando partículas com cerca de 1µm de comprimento (µm: micrômetro = milionésimo de metro). A figura foi obtida com um microscópio eletrônico de varredura, que ampliou em 10 mil vezes a aparência do objeto natural. Difratograma confirmando a síntese de óxido de lítio-cobalto (LiCoCO2). O LiCoCO2 é usado na produção de modernas baterias de íon-lítio. O gráfico, um difratograma de raios X, mostra o comportamento de feixes de raios X lançados sobre amostras das partículas sólidas obtidas na reação química. Os ângulos que geram picos na figura fornecem informação sobre a estrutura do material. O padrão de picos é consistente com o que seria esperado em um cristal contendo óxido de lítio-cobalto, confirmando sua presença no material. |
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Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico Petrobrás Universidade Federal do Espírito Santo Instituto Federal do Espírito Santo |
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Baterias de Ni-MH, em particular, são produzidas com metais altamente valorizados pela indústria. Entram na sua composição ferro (usado na produção de aço), níquel (usado em revestimentos de carros, motos e bicicletas), cobalto (usado na fabricação de ligas magnéticas ou eletrodos de baterias) e metais terras raras (usados na fabricação de ímãs permanentes e baterias de carros elétricos). A pesquisa realizada no Espírito Santo é importante, pois apresenta um método de extração desses materiais. Em particular, o método descrito permite obter lantânio, metal atualmente bastante usado na fabricação de baterias de carros elétricos, e óxido de lítio-cobalto, usado na produção de eletrodos de baterias de íon-lítio. Saiba mais: Como as baterias de Ni-MH geram eletricidade? As baterias de níquel-hidreto metálico (Ni-MH) são formadas por vários compostos químicos, incluindo níquel (Ni), lantânio (La) e cobalto (Co). Além disso, as ligas metálicas (MH) das baterias de Ni-MH contêm hidrogênio (H). É esse elemento, com apenas um elétron em sua composição, que dá origem à corrente elétrica da bateria. Baterias em geral possuem duas partes essenciais: os eletrodos positivos e negativos. A movimentação de elétrons entre esses dois eletrodos é que gera uma corrente elétrica. Essa corrente elétrica fornece a energia necessária para o funcionamento de aparelhos celulares e laptops. Durante a descarga de uma bateria, ocorre oxidação nos eletrodos negativos. Na reação de oxidação, o hidrogênio acoplado à liga metálica (MH) desprende-se dela e se une a íons hidróxido (OH-) presentes no interior da bateria, gerando água (H2O) e um elétron. Esse elétron, oriundo do átomo de hidrogênio da liga metálica, é transferido do eletrodo negativo para o eletrodo positivo. No eletrodo positivo, ocorre a redução, reação que transforma o óxi-hidróxido de níquel (NiOOH) presente nesse eletrodo em hidróxido de níquel (Ni(OH)2), uma substância que possui um elétron a mais. Assim, elétrons são transferidos de um eletrodo para o outro. É essa reação de oxirredução que gera corrente elétrica na bateria. Quando a bateria é recarregada, o processo se inverte, ocorrendo a oxidação do Ni(OH)2, que volta a ser NiOOH, e a redução da liga metálica (M), que ganha H e volta a ser MH. Esse processo de recarga é movido pela energia fornecida por um carregador. Nesse caso, a energia elétrica não vem de dentro da própria bateria, mas é fornecida por uma fonte externa (uma tomada ligada à rede elétrica da casa, por exemplo). O descarte de baterias é uma preocupação ambiental, pois metais tóxicos e pesados, que fazem parte de sua composição, podem contaminar solo, plantas e animais. Nos últimos anos, baterias de Ni-MH que eram usadas em telefones celulares e computadores portáteis vem sendo gradativamente substituídas por baterias de íons-lítio, pois possuem maior capacidade de armazenamento e menor perda de energia. Devido a essa substituição, uma grande quantidade de baterias usadas de Ni-MH foi acumulada, necessitando maneiras apropriadas de descarte ou de reutilização. Nesse sentido, pesquisa realizada em conjunto pelo Departamento de Química da Universidade Federal do Espírito Santo e pelo Instituto Federal do Espírito Santo (campus Aracruz), desenvolveu um método para recuperar elementos químicos importantes presentes nas baterias de Ni-MH, como níquel, cobalto, ferro e metais terras raras. Dois desses elementos são recuperados na forma de compostos, hidróxidos de níquel e de cobalto, que foram usados na síntese de óxido de lítio-cobalto, matéria-prima para as modernas baterias de íon-lítio. Esse trabalho foi publicado no periódico “Química Nova” da Sociedade Brasileira de Química. A pesquisa consistiu em uma sequência de reações químicas controladas para a extração gradual dos elementos químicos das baterias de Ni-MH. As baterias foram desmontadas e suas partes constituintes, incluindo eletrodos positivos e negativos, foram separadas. Em seguida, os cientistas reuniram os eletrodos negativos (MH) das baterias, dissolveram-nos em ácido, filtraram a solução líquida resultante e adicionaram a ela soda cáustica (hidróxido de sódio). Isso fez com que os metais terras raras lantânio (La) e cério (Ce), originalmente presentes na liga metálica, se agregassem e precipitassem, formando um novo sólido. Esse sólido foi separado do resto da solução aquosa e suas características moleculares foram avaliadas com técnicas de espectroscopia. A composição química do sólido obtido foi determinada com difração de raios X, que confirmou a presença dos elementos La e Ce. A estrutura das partículas metálicas recuperadas pôde ser observada por microscopia eletrônica de varredura, o que possibilitou a ampliação de sua imagem em 10 mil vezes (Figura 1). Para extrair os outros metais de interesse, os pesquisadores realizaram novas sequências de adição de ácidos, bases e outros reagentes em concentrações específicas, o que levou à formação de novos sólidos dentro do líquido. Esses sólidos foram então separados do líquido por centrifugação (rotação em alta velocidade) e secos. Níquel, cobalto e ferro não foram obtidos como metais puros, mas sim na forma de hidróxidos, como hidróxido de níquel (Ni(OH)2), hidróxido de cobalto (Co(OH)2) e hidróxido de ferro (Fe(OH)3). Em uma última etapa do processo, o Ni(OH)2 foi misturado com um composto de lítio (Li), gerando o cobiçado óxido de lítio-cobalto (LiCoCO2), material usado na fabricação de eletrodos positivos em baterias de íon-lítio. Como nas etapas anteriores, a composição dos materiais obtidos foi confirmada com o uso de espectroscopia de raios X (Figura 2). A Figura 2 representa um difratograma de raios X que confirma a presença de LiCoCO2 na amostra. Os raios X são lançados em ângulos diferentes em relação às partículas sólidas e são refratados em direção a um detector. O detector registra a intensidade da difração dos raios X em cada ângulo. Os ângulos que geram picos fornecem informação sobre a estrutura do material. O padrão de picos observado é consistente com o que seria esperado em um cristal contendo óxido de lítio-cobalto, confirmando sua presença no material. Micrografia dos compostos recuperados das terras raras. Aumento: 10000x Os compostos foram obtidos a partir de baterias usadas de telefones celulares. A figura mostra que os compostos se organizam em estrutura hexagonal, formando partículas com cerca de 1µm de comprimento (µm: micrômetro = milionésimo de metro). A figura foi obtida com um microscópio eletrônico de varredura, que ampliou em 10 mil vezes a aparência do objeto natural. Difratograma confirmando a síntese de óxido de lítio-cobalto (LiCoCO2). O LiCoCO2 é usado na produção de modernas baterias de íon-lítio. O gráfico, um difratograma de raios X, mostra o comportamento de feixes de raios X lançados sobre amostras das partículas sólidas obtidas na reação química. Os ângulos que geram picos na figura fornecem informação sobre a estrutura do material. O padrão de picos é consistente com o que seria esperado em um cristal contendo óxido de lítio-cobalto, confirmando sua presença no material. Método hidrometalúrgico para reciclagem de metais terras raras, cobalto, níquel, ferro e manganês de eletrodos negativos de baterias exauridas de Ni-MH de telefone celular Os pesquisadores desenvolveram um método para recuperar elementos químicos importantes presentes nas baterias de Ni-MH, como níquel, cobalto, ferro e metais terras raras. 2014-03-07 https://doi.org/10.1590/S0100-40422014000100005 Ciências Exatas e da Terra A pesquisa consistiu em uma sequência de reações químicas controladas para a extração gradual dos elementos químicos das baterias de Ni-MH. As baterias foram desmontadas e suas partes constituintes, incluindo eletrodos positivos e negativos, foram separadas. Em seguida, os cientistas reuniram os eletrodos negativos (MH) das baterias, dissolveram-nos em ácido, filtraram a solução líquida resultante e adicionaram a ela soda cáustica (hidróxido de sódio). Isso fez com que os metais terras raras lantânio (La) e cério (Ce), originalmente presentes na liga metálica, se agregassem e precipitassem, formando um novo sólido. Esse sólido foi separado do resto da solução aquosa e suas características moleculares foram avaliadas com técnicas de espectroscopia. A composição química do sólido obtido foi determinada com difração de raios X, que confirmou a presença dos elementos La e Ce. A estrutura das partículas metálicas recuperadas pôde ser observada por microscopia eletrônica de varredura, o que possibilitou a ampliação de sua imagem em 10 mil vezes (Figura 1). Para extrair os outros metais de interesse, os pesquisadores realizaram novas sequências de adição de ácidos, bases e outros reagentes em concentrações específicas, o que levou à formação de novos sólidos dentro do líquido. Esses sólidos foram então separados do líquido por centrifugação (rotação em alta velocidade) e secos. Níquel, cobalto e ferro não foram obtidos como metais puros, mas sim na forma de hidróxidos, como hidróxido de níquel (Ni(OH)2), hidróxido de cobalto (Co(OH)2) e hidróxido de ferro (Fe(OH)3). Em uma última etapa do processo, o Ni(OH)2 foi misturado com um composto de lítio (Li), gerando o cobiçado óxido de lítio-cobalto (LiCoCO2), material usado na fabricação de eletrodos positivos em baterias de íon-lítio. Como nas etapas anteriores, a composição dos materiais obtidos foi confirmada com o uso de espectroscopia de raios X (Figura 2). A Figura 2 representa um difratograma de raios X que confirma a presença de LiCoCO2 na amostra. Os raios X são lançados em ângulos diferentes em relação às partículas sólidas e são refratados em direção a um detector. O detector registra a intensidade da difração dos raios X em cada ângulo. Os ângulos que geram picos fornecem informação sobre a estrutura do material. O padrão de picos observado é consistente com o que seria esperado em um cristal contendo óxido de lítio-cobalto, confirmando sua presença no material. Micrografia dos compostos recuperados das terras raras. Aumento: 10000x Os compostos foram obtidos a partir de baterias usadas de telefones celulares. A figura mostra que os compostos se organizam em estrutura hexagonal, formando partículas com cerca de 1µm de comprimento (µm: micrômetro = milionésimo de metro). A figura foi obtida com um microscópio eletrônico de varredura, que ampliou em 10 mil vezes a aparência do objeto natural. Difratograma confirmando a síntese de óxido de lítio-cobalto (LiCoCO2). O LiCoCO2 é usado na produção de modernas baterias de íon-lítio. O gráfico, um difratograma de raios X, mostra o comportamento de feixes de raios X lançados sobre amostras das partículas sólidas obtidas na reação química. Os ângulos que geram picos na figura fornecem informação sobre a estrutura do material. O padrão de picos é consistente com o que seria esperado em um cristal contendo óxido de lítio-cobalto, confirmando sua presença no material. https://repositorio.canalciencia.ibict.br/api/items/26456 https://repositorio.canalciencia.ibict.br/files/original/79cf81a88c1734e0698133beb63478d393f4dfcd.png https://repositorio.canalciencia.ibict.br/files/original/6f44cb005e44d7038ff25ae0275a226a41e74c51.jpg https://repositorio.canalciencia.ibict.br/files/original/0339511bbafcf6d7505bc4320104d8bfac8a070e.jpg |