A produção sustentável de baterias está à vista

Produção de baterias amiga do ambiente

Um dos destaques do projeto é a conversão da produção do cátodo para um processo aquoso. Esta inovação torna a produção de baterias significativamente mais sustentável. Além disso, foi realizada uma avaliação económica dos novos processos de reciclagem de baterias, que já são mais económicos à escala piloto do que os processos pirometalúrgicos e hidrometalúrgicos anteriormente utilizados na indústria. A equipa do projeto pode olhar para trás com orgulho para o seu trabalho conjunto. Todos os objectivos e marcos do projeto coordenado pela Carl Padberg Zentrifugenbau GmbH com dez parceiros diretos do projeto e dois parceiros associados foram alcançados. O potencial de realização comercial dos resultados é elevado.

Desenvolvimentos importantes no projeto IDcycLIB

Em 2021, o projeto de investigação conjunta IDcycLIB centrou-se no desenvolvimento de um ciclo de vida sustentável da bateria com cinco objectivos de trabalho principais:

• "Baterias de lítio mais ecológicas" com processos à base de água na produção de cátodos.
• "Design para reciclagem" para facilitar a subsequente renovação das baterias descartadas, por exemplo, remoção mais fácil das costuras de vedação.
• Detetabilidade / passaporte da bateria - identificação clara através de partículas marcadoras magnéticas e fluorescentes
• Processos de reciclagem à base de água - trituração electro-hidráulica ao longo dos limites do material e tecnologias inovadoras de centrifugação
• Avaliação do ciclo de vida e cálculo dos custos do ciclo de vida - consideração de todo o ciclo de produção e de vida da bateria no que respeita ao seu impacto no ambiente, incluindo uma plataforma digital para a implementação do passaporte de bateria necessário.
• O coordenador do projeto, Felix Seiser, da Carl Padberg Zentrifugenbau GmbH: "Isto abordou todo o processo de criação de valor da bateria e o seu potencial de melhoria em termos de respeito pelo ambiente, desempenho e rentabilidade."

Importância do passaporte digital para baterias

O Regulamento Europeu sobre Baterias estipula uma rotulagem significativa para as baterias no futuro. Esta rotulagem fornece informações importantes para o funcionamento seguro e a recuperação eficiente dos materiais das baterias e também quantifica a pegada de carbono. No entanto, as ferramentas técnicas e as normas para o registo dos dados de produção e a atribuição individual a cada célula de bateria ainda não foram normalizadas.

O Dr. Andreas Flegler, coordenador científico do projeto no Fraunhofer ISC, explica: "No projeto IDcycLIB, desenvolvemos processos e materiais que permitem a recolha automatizada e individualizada de dados na produção de células e a sua transferência para um sistema de base de dados adequado." O núcleo do trabalho nesta área foi a definição de um passaporte de bateria pelo ipoint. Este permite, pela primeira vez, mapear todo o processo, desde a produção das células, a recolha de dados durante a produção, a atribuição de um UUID, o armazenamento de dados, as interfaces até à identificação das células, a recuperação e a visualização do passaporte de bateria. Além disso, isto é feito com um marcador inviolável que é extremamente robusto e, por conseguinte, ideal para produtos de longa duração, como as pilhas. Utilizando partículas de marcação magnética especialmente concebidas pelo grupo de partículas da Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, juntamente com a metodologia de deteção do Fraunhofer Institute for Integrated Circuits IIS e os padrões de partículas da Polysecure, cada célula de bateria pode ser identificada à prova de falsificação com a sua própria "impressão digital" pessoal. Mesmo os componentes individuais, como os materiais dos eléctrodos, foram marcados com partículas marcadoras fluorescentes da Polysecure, a fim de seguir o percurso dos materiais e facilitar a triagem no processo de reciclagem.

O desenvolvimento deste sistema de marcação, que também pode identificar componentes individuais no interior da célula da bateria sem perturbar o seu funcionamento ou reduzir a sua vida útil, foi um desafio especial para a equipa do projeto. A identidade única através dos padrões de partículas foi associada ao chamado "Identificador Único Universal" (UUID). Este UUID é uma sequência de dígitos que ocorre apenas uma vez no mundo e é utilizado para identificar de forma única a informação em sistemas informáticos. O UUID liga a respectiva célula ou componente ao registo de dados correspondente gerado na produção. Isto permite abordar diferentes níveis - passaportes individuais para os componentes individuais e para a bateria como um todo - e fornecer as informações relevantes sobre as propriedades do produto, a composição, as matérias-primas críticas, a reciclabilidade, a pegada de carbono e as variáveis medidas específicas.

No projeto, foi utilizada uma nova tecnologia de deteção da Polysecure para recuperar a informação, que pode ler e processar rapidamente a informação armazenada no padrão de partículas. O fornecimento de dados de produção no passaporte da bateria foi possível utilizando os modelos de dados das redes de intercâmbio de dados existentes, como a CATENA-X Automotive Network, e em preparação para o "Eclipse Dataspace Connector". Isto garante a interoperabilidade necessária - ou seja, a capacidade de trocar dados através de sistemas comuns - e permite um acesso rápido aos dados armazenados no passaporte da bateria.

Avanços na produção de eléctrodos

Para tornar a produção dos componentes da bateria mais sustentável, a IDcycLIB analisou o processo de fabrico do cátodo. Para o PVDF (fluoreto de polivinilideno) utilizado como material aglutinante - um membro da cada vez mais criticada família PFAS - a equipa IDcycLIB do Fraunhofer ISC utilizou um aglutinante à base de celulose. E o solvente NMP (N-metil-2-pirrolidona) anteriormente utilizado na produção de cátodos foi substituído por água. O NMP é considerado tóxico para a reprodução, ou seja, pode afetar a fertilidade.

O processo à base de água desenvolvido no IDcycLIB é, por conseguinte, um passo importante para uma produção de baterias mais respeitadora do ambiente. "É claro que a água é sempre o agente de processo de eleição. Mas neste caso tivemos de enfrentar a dificuldade de os materiais catódicos habituais e também os pára-correntes de alumínio serem danificados pela água", diz Flegler. Para proteger o material ativo dos cátodos, necessário para armazenar a carga na bateria, contra danos, a equipa do Fraunhofer ISC modificou a superfície com um revestimento especial. O processo de produção de cátodos com os materiais mais amigos do ambiente foi aumentado para um processo rolo a rolo. Este foi utilizado para produzir células de bateria numa escala de protótipo para os subsequentes testes de vida útil e reciclagem. O processo à base de água é uma verdadeira novidade nesta escala e oferece uma vantagem adicional, como explica Seiser: "Graças ao aglutinante de celulose solúvel em água, podemos também utilizar água como solvente para a reciclagem subsequente."

Reciclagem direta económica

Os parceiros consideram os progressos alcançados na reciclagem direta como um sucesso particular do projeto. As células da bateria são divididas de forma limpa ao longo dos limites do material utilizando um novo processo conhecido como trituração electro-hidráulica (EHZ) no parceiro do projeto REELEMENTS e podem depois ser separadas, ou seja, "classificadas", nas fracções individuais do material utilizando a inovadora tecnologia de centrifugação da CEPA, que é automatizada e dimensionada no IDcycLIB. Desta forma, os materiais da bateria podem ser recuperados, mantendo a sua função, e utilizados diretamente para a produção de novas células de bateria.

Qualquer envelhecimento dos materiais pode ser curado através de processos de regeneração. Além disso, é utilizada uma nova tecnologia de medição para determinar direta e rapidamente (em poucos minutos) o teor de lítio, flúor e alumínio na água do processo. "A reciclagem direta não só tem um elevado potencial ecológico em comparação com o estado da arte. Mesmo à pequena escala do nosso projeto, é mais económica do que os processos convencionais, como a pirometalurgia e a hidrometalurgia", conclui orgulhosamente o coordenador do projeto, Seiser. Esta vantagem foi claramente demonstrada pela análise do ciclo de vida realizada pelo parceiro do projeto EurA. Isto significa que o projeto IDcycLIB deu realmente um grande passo em frente.