Estudo de parâmetros que influenciam na descarga da energia residual de baterias de íon de lítio do tipo NMC

Abstract

O uso de baterias de íon lítio, (LIB do inglês lithium-ion battery) apresenta um crescimento exponencial na atualidade, sendo um tipo de bateria versátil e leve, com alta densidade e capacidade energética e elevada velocidade de recarga, além de apresentar menores potenciais de impactos ambientais, ganhando notoriedade em vários setores tecnológicos e econômicos. Vastamente utilizadas em eletrônicos e fontes estacionárias de energias, as baterias são consideradas um dos principais meios para a mudança da matriz energética fóssil para a elétrica no setor de transportes. Em detrimento, relacionadas a utilização das vantagens das LIBs, o consumo de lítio (Li) e de metais que compõem a bateria como cobalto (Co), níquel (Ni), manganês (Mn), cobre (Cu) e alumínio (Al) aumentou significativamente, chamando a atenção de vários setores produtivos. No decorrer da vida útil, as baterias que destinadas para a reciclagem podem ter sido submetidas a excessos mecânicos, elétricos ou térmicos. E a sua carga residual pode causar danos e impactos durante o processo de fim de vida. Neste contexto, a descarga da energia residual das LIBs é um processo importante para minimizar impactos ambientais e escalonar a reciclagem de LIBs dentro da indústria. O objetivo deste trabalho foi desenvolver e testar um sistema que prioriza a melhoria do desempenho ambiental na descarga da energia residual de baterias de íon-lítio do tipo Níquel-mangânes-cobalto (NMC). O sistema inclui o monitoramento da variação da tensão durante o processo de descarga, utilizando uma solução salina de baixo impacto ambiental como condutora entre cátodo e ânodo. Utilizando o método de Revisão Bibliográfica Sistemática foi possível caracterizar os estudos teóricos sobre processos de descarga da energia residual das LIBs. Em seguida, foram realizados 14 testes de descarga elétrica utilizando as soluções de sulfato de magnésio (MgSO4) e sulfato de sódio (Na2SO4)em diferentes concentrações. Além disso, foram avaliadas as interferências de três parâmetros, agitação da solução, recirculação da solução e a inserção de um metal de sacrifício para minimizar a corrosão dos terminais das células. O melhor resultado, referente, a menor tensão residual obtida após os experimentos, foi alcançado utilizando MgSO4 em concentração de 1,0 mol/L e recirculação. O monitoramento das células durante todo o experimento revelou que, mesmo com pequenos danos físicos o sistema funcionou de forma contínua e precisa ao longo de todos os experimentos. A literatura existente sobre o tema apresenta uma lacuna significativa, destacando a relevância e contribuição para o conhecimento científico na área de reciclagem e gestão de baterias de íon lítio.

The use of lithium-ion batteries (LIB) is experiencing exponential growth today, being a versatile and lightweight type of battery with high density and energy capacity and high recharge speed, in addition to presenting lower potential environmental impacts, gaining notoriety in various technological and economic sectors. Widely used in electronics and stationary energy sources, batteries are considered one of the main means for the transition from fossil to electric energy in the transport sector. However, related to the use of LIB advantages, the consumption of lithium (Li) and metals that make up the battery such as cobalt (Co), nickel (Ni), manganese (Mn), copper (Cu), and aluminum (Al) has increased significantly, drawing the attention of various productive sectors. During their useful life, batteries destined for recycling may have been subjected to mechanical, electrical, or thermal excesses. Their residual charge can cause damage and impacts during the end-of-life process. In this context, the discharge of residual energy from LIBs is an important process to minimize environmental impacts and scale up LIB recycling within the industry. The objective of this work was to develop and test a system that prioritizes improving environmental performance in the discharge of residual energy from nickel-manganese-cobalt (NMC) lithium-ion batteries. The system includes monitoring the voltage variation during the discharge process, using a low environmental impact saline solution as a conductor between the cathode and anode. Using the Systematic Literature Review method, it was possible to characterize theoretical studies on the residual energy discharge processes of LIBs. Subsequently, 14 electrical discharge tests were carried out using magnesium sulfate (MgSO4) and sodium sulfate (Na2SO4) solutions in different concentrations. Additionally, the interferences of three parameters were evaluated: solution agitation, solution recirculation, and the insertion of a sacrificial metal to minimize cell terminal corrosion. The best result, referring to the lowest residual voltage obtained after the experiments, was achieved using MgSO4 at a concentration of 1.0 mol/L and recirculation. Monitoring the cells throughout the experiment revealed that, even with minor physical damage, the system functioned continuously and accurately throughout all experiments. The existing literature on the subject presents a significant gap, highlighting the relevance and contribution to scientific knowledge in lithium-ion battery recycling and management.