A implementação progressiva da reciclagem de baterias de ions de lítio (LIBs) tem uma importância crítica para o mundo, pois estes produtos têm sido altamente consumidos com Equipamentos Eletroeletrônicos (EEE), com uma exponencial demanda projetada para as próximas décadas, estimulada por produtos como telefones celulares, computadores e veículos elétricos. Este problema é ainda mais crítico em países em desenvolvimento como o Brasil, um dos maiores geradores de Resíduos de Equipamentos Eletroeletrônicos (REEE) no mundo. O consumo de bens eletrônicos abastecidos por LIBs está crescendo consistentemente no Brasil. A fatia de mercado para veículos elétricos no país é menor que na Europa, Asia ou América do Norte, mas é a maior da América Latina e uma das que crescem mais rapidamente na região, com uma Taxa de Crescimento Anual Composta (CAGR) de 19% até 2027. O Brasil obrigou, na sua Política Nacional de Resíduos Sólidos (Lei No. 12.305/2010), a logística reversa de REEE e baterias, sob a responsabilidade compartilhada de produtores, importadores, distribuidores e comerciantes. Porém o país ainda enfrenta sérios desafios em gerenciar resíduos sólidos. A Avaliação do Ciclo de Vida (ACV) tem sido uma ferramenta útil para auxiliar análises de impactos ambientais e decisões relativas ao gerenciamento de resíduos. Há uma preocupação crescente com os impactos de ciclo de vida de LIBs. Atualmente, poucas pesquisas foram desenvolvidas para avaliar os impactos do ciclo de vida de LIBs no Brasil. A única literatura científica disponível neste tópico usa ACV para avaliar a logística reversa de REEE, uma parte dos quais é, em pequena escala, as LIBs. Nenhum estudo aplicou ACV para entender como a reciclagem de LIBs ou a expansão de uma segunda vida útil podem afetar processos marginais. O principal objetivo deste peojeto é desenvolver e avaliar os impactos de potenciais cenários de economia circular para LIBs usadas em veículos elétricos e equipamentos de Tecnologia da Informação e Comunicação (TIC) no Brasil, comparados com a situação atual, de forma a auxiliar a tomada de decisões e desenvolvimento de políticas. Para alcançar os objetivos, o projeto desenvolverá uma Avaliação Consequencial do Ciclo de Vida (CLCA). A abordagem CLCA é recomendada para analisar as mudanças provocadas por uma decisão no ciclo de vida de um produto. Neste projeto, a decisão a ser analisada é a expansão da capacidade de reciclagem de LIBs e usos de segunda vida no Brasil, considerando diferentes tecnologias de reciclagem e aplicações de segundo uso. (AU)

O desenvolvimento de dispositivos de armazenamento de energia eficientes e capazes de atender as demandas de novas aplicações em veículos elétricos e armazenamento de energia renovável tem ganhado grande destaque no mundo. Nesse contexto, as baterias de chumbo-ácido são muito procuradas por apresentarem uma excelente relação custo-benefício e alta sustentabilidade. No entanto, o sistema chumbo-ácido apresenta algumas limitações como alto peso, efeitos de sulfatação na placa negativa e baixa aceitação de carga dinâmica. Para minimizar as desvantagens deste sistema, diferentes formas de carbono são estudadas como aditivos em placas negativas para reduzir o peso, melhorar a eficiência e proporcionar maior vida útil da bateria quando usado em condições de PSoC (Parcial State of Charge). Este projeto visa utilizar um compósito de fibra de carbono (CF) recoberto com um material condutor (Nanotubos de Carbono, Grafeno, Polianilina) dopado com nitrogênio e revestido com chumbo (Pb) para uso como coletores de corrente na placa negativa da bateria chumbo-ácido. As propriedades como a alta resistência mecânica da fibra de carbono e a alta condutividade elétrica dos Nanotubos de Carbono/Grafeno/Polianilina associada ao baixo peso do compósito podem tornar este material uma alternativa promissora para uso como grade de baterias. Além disso, a dopagem com nitrogênio do compósito pode reduzir significativamente os efeitos da evolução do hidrogênio. Além disso, a presença de chumbo pode melhorar a adesão entre a Massa Ativa Negativa (NAM) e o compósito. O compósito de fibra de carbono/condutor/chumbo (CF/condutor/Pb) será preparado no Departamento de Química e Bioquímica da Universidade de Toledo. E seu desempenho como coletor de corrente na bateria de chumbo-ácido será avaliado no Laboratório Nacional de Argonne. (AU)

A implementação de novas fontes de energia renováveis é um passo necessário para a mitigação das emissões de CO2 e o controle das mudanças climáticas. Entretanto, devido ao caráter intermitente dessas fontes, é necessário o uso de dispositivo de armazenamento de energia, como supercapacitores e baterias. A baixa disponibilidade de lítio no planeta terra faz com que as baterias de lítio, as mais utilizadas atualmente, não sejam suficiente para suprir a demanda futura por baterias. Sendo assim, nos últimos anos muitos esforços têm sido realizados para o desenvolvimento das baterias de sódio-íon. Dentre os principais fatores limitantes para estas baterias, podemos citar a formação da interface sólida do eletrólito (ISE) na superfície do ânodo, a qual se dá por reações indesejadas entre o eletrólito e a superfície do eletrodo. Uma alternativa para diminuir os impactos da formação da ISE, é o uso de eletrólitos baseados em líquidos iônicos (LIs), os quais resultam em uma ISE robusta, a qual contribui para o transporte dos íons Na+ da região de bulk para a superfície do eletrodo. Para aumentarmos o entendimento da ISE em LIs, é necessário uma investigação atomística, focando nas interações entre os íons e no transporte dos mesmos. Desta maneira, propomos neste projeto a realização de simulações de dinâmica molecular (DM) utilizando campos de força polarizáveis desenvolvidos especificamente para eletrólitos baseados em LIs. Além das simulações de DM, cálculos da teoria funcional de densidade podem ser realizados afim de se complementar as informações obtidas das simulações de DM e também para obter diferentes propriedades que influenciem na formação da ISE, como as estabilidade dos íons e os custos energéticos das interações. (AU)

As preocupações com os problemas ambientais causados pelos combustíveis fósseis e a contínua crise energética aumentaram o interesse por fontes de energia renováveis, como vento, maré e luz solar. Porém, para atender à alta demanda de energia da sociedade, a energia fotovoltaica e eólica deve ser armazenada em baterias, devido à intermitência inerente a essas fontes renováveis. As baterias de fluxo redox (RFBs) são o sistema mais promissor para armazenamento sustentável de energia em grande escala, pois têm design e operação modular flexível, custos de manutenção moderados, excelente escalabilidade e longo ciclo de vida. Eletrodos à base de carbono têm sido amplamente aplicados em RFBs orgânicas aquosas. No entanto, muitos desses materiais não apresentam estabilidade química e robustez mecânica satisfatórias, e são impregnados com ligantes que diminuem a hidrofilicidade e a área superficial eletroquimicamente ativa do eletrodo. Nesse contexto, o objetivo principal deste trabalho é examinar e comparar as propriedades e o desempenho de diferentes eletrodos de carbono comercialmente disponíveis em experimentos de meia-célula e em RFBs orgânicas aquosas. Além disso, materiais à base de carbono com defeitos de bordas e grupos funcionais oxigenados serão projetados para alcançar eletrodos de baixo custo e altas densidades de energia e potência sem catalisadores. O desempenho dos eletrodos à base de carbono será avaliado por meio de experimentos eletroquímicos e sua morfologia, estrutura e composição serão caracterizadas por técnicas microscópicas e espectroscópicas. Dessa forma, propõe-se uma aplicação inovadora para eletrodo à base de carbono em uma RFB, que está sendo desenvolvida no projeto de pesquisa de doutorado no Brasil. (AU)

O armazenamento de energia eletroquímica (EES) consiste em uma vertente muito utilizada, permitindo a concentração da geração de eletricidade em fontes renováveis intermitentes. Eletrodos positivos de conversão para a próxima geração de baterias de lítio-enxofre (Li-S) têm atraído o interesse de diversos pesquisadores. Um vez que, os sistemas Li-S têm alta capacidade específica e densidade de energia. No entanto, as baterias de Li-S possuem alguns problemas que precisam ser aprimorados antes da comercialização. A incorporação de enxofre em matrizes porosas tem se tornado cada vez mais utilizada nos últimos anos. Metal Organic Frameworks (MOFs) e outros materiais porosos têm chamado a atenção, devido a versatilidade sintética desses materiais. Esses novos eletrodos baseados em enxofre, melhoraram significativamente o desempenho eletroquímico das baterias de Li-S. No entanto, o desenvolvimento de baterias de Li-S requer uma compreensão detalhada do mecanismo de reação eletroquímica e da cinética do enxofre/Li2Sx, bem como do processo de degradação da bateria. Alguns métodos in-situ e in-operando foram desenvolvidos para avaliar os sistemas Li/S. O conhecimento do mecanismo das baterias de Li-S através de técnicas de caracterização avançadas, especialmente técnicas de raios-X e espalhamento de nêutrons, tem aumentado recentemente. Isso inclui difração de raios-X (XRD), que é útil para observar estruturas cristalinas, enquanto a espectroscopia de absorção de raios-X (XAS) pode fornecer informações sobre as mudanças estruturais locais mais delicadas. Imagens de raios-X, como tomografia computadorizada (TC) de contraste de fase e transição, podem fornecer informações sobre as alterações morfológicas. O espalhamento de nêutrons de baixo ângulo (SANS) e o espalhamento de raios X de baixo ângulo (SAXS) também são usados, principalmente no estudo de materiais porosos. Portanto, esses métodos complementares podem ser usados para estudar a microestrutura dos eletrodos positivos das baterias de Li-S. Assim, o projeto permitirá novos insights sobre os eletrodos positivos das baterias Li-S durante suas performances para fornecer novas ideias sobre o mecanismo que ajudarão a desenvolver eletrodos eficientes para células Li-S. (AU)

Modificação de superfície de catodos para baterias de íon lítio. Estudos da interface eletrodo/eletrólito. A demanda crescente por sistemas de armazenamento de alta energia estimulou o interesse em pesquisas extensivas em baterias de íons de lítio (LIBs). Embora as LIBs comerciais para dispositivos elétricos portáteis estejam no mercado há mais de duas décadas, as baterias de íons de lítio para veículos elétricos e veículos elétricos híbridos plug-in estão sob desenvolvimento comercial ativo. O principal desafio remanescente é desenvolver baterias de segurança e de baixo custo com altas densidades de energia e potência, bem como longa vida útil, uma vez que a autonomia do veículo elétrico é diretamente proporcional à capacidade da bateria. Para resolver esses desafios, atualmente existe um enorme interesse na substituição dos componentes atuais da bateria por materiais com melhor desempenho, especialmente naqueles para serem usados como catodos e eletrólitos. Neste projeto, vamos nos concentrar no cátodo e sua interação com diferentes eletrólitos. Primeiramente, serão avaliados três cátodos comerciais que serão modificados em diferentes condições. Em segundo lugar, será explorada a interface eletrodo-eletrólito formada quando os catodos estão em contato com eletrólitos tradicionais (baseados em combinações de carbonatos de alquila lineares e cíclicos) e com diferentes líquidos iônicos sintetizados em nosso laboratório. Além disso, aspectos relacionados à degradação de íons de lítio, bem como determinar como os eletrodos ou interfaces envelhecem com o tempo, sob condições de ciclagem ou armazenamento, serão estudados por meio de estudos convencionais e post-mortem das baterias. Essa combinação tem sido raramente estudada na literatura, principalmente considerando que tanto o método de revestimento e os eletrólitos são desenvolvidos exclusivamente em nosso laboratório. (AU)

Baterias de fluxo redox (BFR) são sistemas que utilizam espécies redox para armazenar e gerar energia elétrica. Uma BFR deve ser segura e ecológica e apresentar alta densidade de energia, longo tempo de vida, tamanho pequeno, ser leve e de baixo custo. No entanto, até o presente momento, nenhuma bateria de fluxo redox atingiu todos esses critérios. BFRs baseadas em vanádio são atualmente os sistemas tecnologicamente mais estabelecidos, no entanto esse tipo de sistema apresenta alto custo. Alternativamente, materiais orgânicos ativos, tais como derivados de quinona e compostos de flavina, tem sido atrativos por serem baratos, não tóxicos e seguros, e apresentarem propriedades eletroquímicas desejáveis. Apesar dos grandes avanços, as BFRs têm potencial para posterior melhoria uma vez que nenhuma delas ainda atende a todos os critérios listados acima. Portanto, pesquisas fundamentais e aplicadas adicionais são necessárias. Neste contexto, o objetivo principal deste trabalho é desenvolver uma BFR eficiente baseada em compostos orgânicos ativos, tais como quinonas, mediadores redox ou cofatores enzimáticos, para a construção de um sistema miniaturizado acoplado com uma fonte de energia renovável para recarga, como uma biocélulas a combustível microbiológica. Assim, estamos propondo uma aplicação inovadora para a biocélula a combustível microbiológica, a qual está sendo desenvolvida no projeto de pesquisa de doutorado no Brasil. (AU)

Diversos benefícios estão associados ao emprego de sistemas de armazenamento de energia em redes de distribuição de energia elétrica. Embora o custo e desafios tecnológicos tenham sido um impeditivo na disseminação do uso destes equipamentos, atualmente espera-se que estas barreiras sejam superadas. Em 2015, por exemplo, o City Group elegeu os sistemas de armazenamento de energia como um dos 10 principais investimentos tecnológicos. Este grupo também prevê que o mercado global das baterias corresponda a U$ 400 bilhões em 2030. Com o amadurecimento das tecnologias de armazenamento e o aumento na utilização de fontes renováveis de energia, o Boston Consulting Group projeta que em 2020 o mercado dos sistemas de armazenamento de energia atinja E 10 bilhões/por ano. Entre os benefícios associados ao emprego de sistemas de armazenamento de energia, como as baterias, destaca-se a solução de problemas de regulação de tensão em sistemas de distribuição de energia elétrica com elevada penetração de geradores solares fotovoltaicos. De forma geral, estes problemas estão associados à intermitência da energia solar e, muitas vezes, inviabilizam o aumento da instalação destes geradores, que apresentam vantagens evidentes do ponto de vista ambiental. Neste contexto, este projeto propõe realizar estudos relacionados à utilização de baterias para a solução dos principais problemas resultantes do aumento no nível de penetração de geradores fotovoltaicos em sistemas de distribuição de energia elétrica: (a) regulação de tensão a curto prazo; (b) regulação de tensão em regime permanente. Estes estudos serão focados na avaliação da eficiência destas soluções e serão baseados em simulações de fluxo de carga série-temporal. (AU)

O contínuo crescimento do mercado de equipamentos elétricos e eletrônicos acarretou numa grande quantidade de baterias descartadas ou simplesmente disponíveis para novos usos a partir do final da vida útil destes dispositivos. Apesar das baterias de níquel hidreto metálico (NiMH) serem consideradas ambientalmente aceitáveis, nos últimos anos estas baterias têm sido gradualmente substituídas pelas baterias baseadas em íons de lítio. No entanto a fatia de mercado para as baterias NiMH não pode ser desconsiderada devido as aplicações onde as suas características exibem vantagens técnicas sobre as demais. As baterias de NiMH são fabricadas com grandes quantidades de níquel e também possui elevadas quantidades de matérias-primas de alto custo como o cobalto e elementos terras raras (REEs) quando comparadas aos minérios de onde estes elementos são extraídos. Em função dos elevados preços, grande número de aplicações e limitadas reservas naturais dos elementos terras raras, um crescente número de procedimentos para reciclagem está sendo desenvolvido nos últimos anos. No que diz respeito as metodologias espectroanalíticas mais comumente utilizadas para as determinações dos REEs nas baterias e demais componentes do lixo eletrônico (ICP-OES, ICP-MS, FAAS, GFAAS) as etapas de preparo das amostras geralmente são laboriosas, caras, não completamente corretas do ponto de vista ambiental ou em alguns momentos são limitadas quanto a sua frequência analítica. Por outro lado, os métodos para análise direta (ex: espectrometria de fluorescência de Raios-x) apresentam limitações em relação a sua precessão e sensibilidade. O objetivo deste projeto é desenvolver um método utilizando um sistema de amostragem portátil por ablação a laser adequado e para análise dos elementos terras raras e principais metais presentes em baterias de NiMH usadas via ablação a laser acoplada a espectrometria de massas (LA-ICP-MS).

O estágio de três meses no Institut Catala de Nanociencia i Nanotecnologia, junto com o Prof. Pedro Gómez-Romero, contribuirá para o desenvolvimento das baterias de neutralização, as quais foram desenvolvidas no nosso laboratório. Diferentemente de outras fontes de energia, até mesmo como as de baixo impacto ambiental, as baterias de neutralização contribuem para o desenvolvimento sustentável, visto que o armazenamento de energia pode ser obtido a partir do tratamento de efluentes ácidos. Uma prática que pode ser lucrativa para a indústria e, ao mesmo tempo, contribui para a preservação ambiental. O processo de neutralização de soluções ácidas pode ser realizada com o uso de eletrodos de intercalação, propiciando o aumento de entropia e, consequentemente, a diminuição de energia livre. Eletrodos à base de polioxometalatos e policianometalatos, com propriedades de armazenamento de prótons e íons sódio serão sintetizados e investigados, visando a sua utilização como eletrodos nessas baterias para aumentar a capacidade de armazenamento de carga, velocidade de intercalação e estabilidade em diferentes ambientes químicos. Os materiais serão investigados a partir de técnicas eletroquímicas, modelos eletroquímicos no domínio de frequência, difração de raios-X e microscopia eletrônica de varredura. (AU)