Tesis
Síntese, Caracterização e Aplicações de Materiais Reciclados a Partir De baterias Íon-Li Exauridas
Fecha
2018-08-31Registro en:
PEGORETTI, V. C. B., Síntese, Caracterização e Aplicações de Materiais Reciclados a Partir De baterias Íon-Li Exauridas
Autor
FREITAS, M. B. J. G.
M. F. F. Lelis
FERREIRA, R. Q.
ALMEIDA, L. C. P.
PROFETI, D.
Institución
Resumen
Neste trabalho, foram realizadas duas rotas hidrometalúrgicas para realizar a reciclagem de baterias de íons Li. Na rota A, o cobalto é recuperado de uma bateria de notebook a partir de um cátodo do tipo LiCoO2. O processo de lixiviação foi realizado utilizando ácido sulfúrico e peróxido de hidrogênio, sob agitação e aquecimento. Após a filtração do lixiviado, o hidróxido de cobalto é precipitado utilizando hidróxido de potássio. Hidróxido de cobalto e carbonato de lítio foram misturados e levados a um forno mufla a 800 °C por 5 h. O produto final foi caracterizado por difração de raios-X (DRX) e espectroscopia Raman com imagem constatando-se que se trata do HT-LiCoO2 (grupo espacial R3 ̅m). O material foi submetido a testes de voltametria cíclica que comprovaram a entrada e saída dos íons Li+ da estrutura do HT-LiCoO2. Teste de carga e descarga galvanostática a uma densidade de corrente de 14 mAg-1 foi aplicada na determinação da capacidade específica do HT-LiCoO2. Obteve-se a capacidade específica de 61,5 mAh g-1 no 4° ciclo para um tempo de descarga de 4,4 h. No 15° ciclo, a capacidade especifica foi de 32,5 mAh g-1 para um tempo de descarga de 2 h com eficiência de carga e descarga de 100%. Imagens de microscopia eletrônica de transmissão (MET) revelaram defeitos estruturais nas partículas do material. O HT-LiCoO2 também foi utilizado como eletrocatalisador em reação de desprendimento de oxigênio, em meio alcalino. Medidas de voltametria cíclica e cronoamperometria demonstram que a evolução de oxigênio inicia em 0,35 V após a formação dos íons Co4+. A energia livre de ativação foi calculada usando curvas de Tafel obtendo-se 28 kJ mol-1. Espectroscopia de impedância eletroquímica elucidaram um circuito equivalente com uma resistência à transferência de carga de 1,55 Ω, impedância Warburg de 150,3 Ω e elementos de fase constante de 3,50 e 1,35 mF dentro dos poros e na dupla camada, respectivamente. Na rota B, utilizou-se uma metodologia de reciclagem verde. Um catodo do tipo LiCoxNiyMn1-x-yO2 foi reciclado a partir de uma bateria de notebook, usando uma solução de ácido málico como agente lixiviante. Foram sintetizados três materiais por meio de uma reação do tipo sol-gel na qual variou-se o tempo de síntese e a quantidade de lítio no meio reacional. O CNM10-10h foi obtido após 10 h de tratamento térmico em forno mufla a 900 °C com uma proporção molar inicial Li:(Co+Ni+Mn) de 1,1:1. Por meio de DRX e refinamento Rietveld foi possível identificar que o material é composto por 35,7 % de Co3O4 (F43 ̅m) e 64,3 % de Li0,31Ni0,5Mn0,5O2 (R3 ̅m). Nas imagens de microscopia eletrônica de varredura visualizaram-se partículas octaédricas de, aproximadamente, 1 µm referentes ao Co3O4.Nas imagens de MET foi possível observar a formação de nanobastões pertencentes à fase litiada. O material apresentou bons resultados como pseudocapacitor uma capacitância específica de 4,6 F g−1 no 1000º ciclo de uma voltametria a 10 mV s−1, e como sensor não enzimático na quantificação de ácido ascórbico com uma sensibilidade de 360,34 µA L mol-1 cm-2 e uma região linear de trabalho no intervalo de 0,55 mmol L−1. Os materiais CNM10-3h e CNM20-3h foram obtidos após tratamento térmico de 3 h em forno mufla e variou-se a proporção Li:(Co+Ni+Mn) sendo 1,1:1 no composto (CNM10-3h) e 1,2:1 no (CNM20-3h) . Análises de DRX com refinamento Rietveld indicaram que a amostra CNM10-3h é composta por 21,8% de Co3O4 (F43 ̅m) e 78,2% de LiCo0,28Ni0,33Mn0,34O2 (R3 ̅m). A amostra CNM20-3h é composta por 14,7 % de Co3O4 (F43 ̅m) e 85,3 % de Li0.94Co0.25Ni0.34Mn0.41O2 (R3 ̅m). Ambos os materiais foram submetidos a testes de voltametria cíclica identificando-se a entrada e saída dos íons Li+ na estrutura do LiCo0,28Ni0,33Mn0,34O2. Teste de carga e descarga galvanostática a uma densidade de corrente de 14 mA.g-1 foram realizados nas amostras CNM10-3h e CNM20-3h e uma capacidade específica no 1º ciclo de 80 mAh g-1 e 119 mAh g-1, respectivamente, foi obtida. Testes prolongados de carga e descarga foram realizados na amostra CNM20-3h para 15 ciclos obtendo uma capacidade de 39,7 mAh g-1 no último ciclo com uma eficiência de carga e descarga de 88,8%. Portanto, as rotas de reciclagem propostas neste trabalho se mostram eficientes para a produção de materiais com diferentes aplicações tecnológicas.