Minerais essenciais alimentam a inovação em baterias

As tendências globais de transição de energia e eletrificação estão fortalecendo a mobilidade e a adaptabilidade elétrica, incluindo a adoção de veículos elétricos (EV) e soluções de armazenamento de energia renovável. Essas tendências têm direcionado o foco dos inovadores industriais para a tecnologia de baterias. Impulsionada pelo aumento constante da demanda em toda a indústria, a produção de baterias aumentou nas últimas décadas, com novas fontes de minerais e maior eficiência nos processos e na tecnologia de produção. 

Na química da bateria, a combinação de minerais contribui para o desempenho geral. Diversos elementos e compostos são combinados para formar os eletrodos e o eletrólito em cada célula, e suas interações definem as características da bateria. Esta página traça a jornada dos minerais essenciais da Terra até as baterias que alimentam os sistemas móveis e elétricos dos quais o mundo moderno depende cada vez mais. Ela também examina os desafios e as estratégias para manter a estabilidade da cadeia de suprimentos. 

As baterias de íons de lítio (Li-ion) são, de longe, o tipo mais proeminente no cenário atual de baterias. Esses conjuntos dependem de uma combinação complexa de minerais e materiais, cada um contribuindo para as propriedades individuais da bateria. Embora o lítio, que dá nome a essas baterias, seja o componente elementar mais proeminente, outros minerais também são necessários para fabricar células de íons de lítio.

O cátodo de uma bateria influencia diversas características importantes de desempenho, inclusive a densidade de energia, potência de saída e vida útil da célula.

Valorizado por sua alta densidade de energia e estabilidade, o cobalto é comumente usado em cátodos de células de baterias de íons de lítio, especialmente para veículos elétricos. No entanto, a mineração de cobalto enfrenta mais preocupações éticas do que a maioria dos outros minerais de bateria, exigindo que os fabricantes responsáveis rastreiem as origens de sua cadeia de suprimentos e, ao mesmo tempo, responsabilizem as partes interessadas por práticas adequadas. A União Europeia, por exemplo, implementou regulamentações sobre os que são chamados de minerais de conflito. Elas têm como objetivo restringir o uso de minerais que financiam conflitos armados ou são extraídos em condições que violam direitos humanos.

O níquel também é usado com frequência em cátodos de íons de lítio, proporcionando uma capacidade de energia ainda maior, tanto em peso quanto em volume. Entretanto, a mineração de níquel gera preocupações ambientais devido ao seu impacto potencial em ecossistemas sensíveis. Esses efeitos podem incluir o desmatamento, perda de habitat e poluição da água em regiões oceânicas onde o mineral tem sua origem predominante, como a Indonésia e as Filipinas. Por esses motivos, a Tesla, importante fabricante de veículos elétricos dos EUA, declarou que deixará de usar baterias de íons de lítio à base de níquel no futuro.

O manganês é mais abundante e mais barato do que o níquel e o cobalto, mas não é tão denso em termos de energia por peso ou volume. No entanto, sua menor densidade de energia o torna menos reativo ou propenso a incêndios e, portanto, mais seguro para uso em tipos específicos de baterias de íons de lítio, como o fosfato de lítio-manganês. Como resultado, os fabricantes de ferramentas elétricas e outros fabricantes sensíveis ao custo geralmente preferem esse mineral para uso em suas baterias.

Os ânodos formam o eletrodo negativo de uma bateria, que é construído principalmente de grafite, um alótropo de carbono com alta disponibilidade e baixo custo. No entanto, a mineração de grafite também levanta considerações ambientais, principalmente a possível poluição por poeira, contaminação da água e degradação do solo. Lidar com essas questões é, portanto, fundamental para operações sustentáveis.

Em algumas baterias de alta densidade mais recentes, o ânodo é feito de silício em vez de grafite, devido à sua capacidade de armazenar mais íons de lítio. Para a indústria de veículos elétricos, isso aumenta a autonomia e a velocidade de carregamento. Contudo, a tendência do silício de se expandir e contrair durante os ciclos de carga e descarga representa um risco de segurança que deve ser atenuado na construção da célula.

O eletrólito entre o catodo e o ânodo de uma bateria facilita o fluxo de íons. Normalmente, ele é composto por sais de lítio dissolvidos em solventes orgânicos. O hexafluorofosfato de lítio, criado pela reação do fluoreto de lítio com outros solventes, atualmente domina o mercado de eletrólitos de íons de lítio, mas os pesquisadores também estão investigando sais de lítio alternativos e eletrólitos de estado sólido.

O lítio é encontrado com mais frequência em depósitos de salmoura na América do Sul e em formações de rocha dura na Austrália. Geralmente, ele é extraído por meio de tanques de evaporação em grande escala ou métodos de mineração convencionais. Ambas as abordagens de extração exigem cuidados responsáveis para minimizar os danos aos recursos hídricos e ecossistemas locais.

Diferente de muitos metais, o lítio não é refinado em um estado metálico, mas sim em compostos solúveis de alta pureza, como o carbonato de lítio ou o hidróxido de lítio.

A extração em salmouras requer a concentração de sais de lítio de salmouras subterrâneas em concentrações de 200 a 1.400 mg/L, normalmente usando grandes tanques de evaporação. Empregado em larga escala, o processo consome muito tempo e água.

Depois de concentrada, a salmoura passa por uma série de reações químicas para precipitar os compostos indesejados. Isso causa uma eventual cristalização para que o carbonato de lítio possa ser extraído. O monitoramento cuidadoso dessas reações e processos de filtragem eficientes são essenciais para maximizar a recuperação do lítio e minimizar o desperdício.

Como alternativa, a extração direta de lítio pode ser usada, proporcionando um meio mais sustentável de obter lítio da salmoura sem a necessidade de tanques de evaporação. Esse processo utiliza materiais adsorventes com afinidade para o lítio. Isso inclui minerais de argila e resinas de troca iônica para coletar solventes ricos em lítio da salmoura. Uma vez que os adsorventes estejam saturados com íons de lítio, eles são submetidos à dessorção e a solução de lítio é coletada. Infelizmente, esse processo ainda não é viável na escala necessária para atender à demanda comercial de lítio.

A mineração em rochas duras envolve a extração de minério de espodumênio, sua trituração e conversão em beta-espodumênio por meio de aquecimento em alta temperatura em fornos rotativos. O processo como um todo consome bastante energia.

Depois que o minério é convertido, ele passa por reações químicas, como o processo de extração com salmoura, que remove gradualmente as impurezas. Isso continua passo a passo até que apenas o carbonato de lítio permaneça, com subprodutos secundários em baixas concentrações. O composto deve ser purificado ainda mais com a adição de uma solução de bicarbonato de lítio e, em seguida, filtrado e reaquecido até que se obtenha carbonato de lítio próprio para baterias. Esse nível é conhecido como “cinco noves”, ou 99,999% de pureza.

Assim como o lítio, outros minerais para baterias devem ser refinados quanto à pureza antes de serem usados na fabricação de células de bateria. Isso normalmente requer uma série de transformações químicas e físicas que variam dependendo do mineral específico e sua aplicação pretendida. Enquanto o refino do lítio exige vários estágios de purificação e filtragem, o cobalto e o níquel são separados por meio de intrincados processos pirometalúrgicos ou hidrometalúrgicos.

Após o refinamento, os materiais de alta pureza são usados para fabricar os componentes da bateria. Os materiais do cátodo e do ânodo são sintetizados por meio de processos precisos de mistura, aquecimento e revestimento, cada um deles exigindo medições confiáveis e controle de qualidade para garantir o desempenho ideal da bateria. 

Os eletrólitos são formulados através da dissolução cuidadosa dos sais de lítio em solventes puros, restringindo a entrada de umidade para evitar a degradação da bateria e riscos à segurança. Em seguida, ocorre a convergência desses componentes, que são minuciosamente dispostos em camadas, embalados e hermeticamente vedados para evitar vazamentos e garantir a longevidade.

Durante a montagem, as células individuais são combinadas em conjuntos e módulos de baterias, adaptados para aplicações específicas, incluindo smartphones, veículos elétricos e sistemas sofisticados de gestão de energia apoiados por baterias.

A jornada dos minerais da bateria não termina com seu primeiro uso. Como a indústria e o público reconhecem a natureza finita desses recursos e o impacto ambiental resultante de sua extração e processamento, existe uma pressão para adotar os princípios da economia circular. Para isso, são necessários esforços para aumentar a viabilidade da reciclagem de baterias, permitindo a recuperação de minerais valiosos de baterias ao final de sua vida útil. Isso reduz a dependência de novas minas e atenua as vulnerabilidades da cadeia de suprimentos.

Com o aumento da demanda por baterias de íons de lítio, é imperativo otimizar os processos de extração, produção e reciclagem de minerais para garantir operações sustentáveis contínuas e minimizar os danos ambientais. As medidas a serem consideradas incluem a implementação de estratégias robustas de gestão da água, a adesão cuidadosa às regulamentações ambientais regionais e o investimento de empresas de mineração e das partes interessadas na extração direta de lítio.

A produção de minerais para baterias representa a natureza interconectada da tecnologia, meio ambiente e movimento social. À medida que a humanidade navega pela grande transição energética e progride coletivamente em direção a metas de carbono neutro, a indústria deve integrar ética, proteção ambiental e lucratividade em suas estratégias de sustentabilidade de longo prazo. O sucesso contínuo requer avanços tecnológicos, obtenção ética de matérias-primas e produção sustentável em geral.