Materiais cerâmicos de inserção aplicados a baterias de íons lítio

Esta revisão visa ser uma introdução à aplicação de materiais cerâmicos em dispositivos de armazenamento de energia, em especial baterias secundárias de íons lítio, dispositivos nos quais os materiais cerâmicos, especialmente óxidos, são muito importantes em todas as partes do dispositivo. A revisão está focada nos materiais cerâmicos para catodos e anodos, partes chaves destes dispositivos. Ela tem por principal finalidade ser uma fonte de informação para aqueles que desejem trabalhar com o desenvolvimento de materiais cerâmicos para tais tipos de dispositivos. Aspectos relacionados à nanotecnologia e materiais óxidos nanoestruturados para esta área são discutidos ao final do artigo.

Investigação da rota biohidrometalúrgica com Acidithiobacillus ferrooxidans/thiooxidans para recuperação do cobalto de baterias de íons lítio descartadas

The recycling of metals from secondary sources can be advantageous. Among the metals of interest, we have cobalt, a metal used for various purposes. As regards the secondary sources of cobalt, the lithium-ion batteries can be considered, since they contain cobalt oxide in their composition (LiCoO2). This way, the objective of this work was to use the microorganism strains (Acidithiobacillus ferrooxidans and Acidithiobacillus thiooxidans) to bioleach the LiCoO2 extracted from discarded lithium ion batteries with emphasis on the recovery of cobalt for synthesis of new materials of interest. The lineage growth occurred in T&K medium and the growth investigation was made by observing the media, by platelet growth and microscope analysis. Then, the inoculum was standardized on 5 x 106 cells mL-1 and used in bioleaching tests. The bioleaching was investigated: the microorganism nature: separate strains and A. ferrooxidans and A. thiooxidans consortium, bioleaching time (0 to 40 days), inoculum proportion (5 to 50% v/v), energy source (iron and sulfur) and residue concentration (1063 to 8500 mg L-1 of cobalt). The cobalt concentration in the media was found by atomic absorption spectrometry and the medium pH was monitored during the bioleaching. The results show that the amount of bioleached cobalt increases with time and the iron concentration. The bioleaching with A. thiooxidans was not influenced by the addition of sulfur. The use of the two lineages together did not improve the bioleaching rates. Among the lineages, the A. thiooxidans presented better results and was able to bioleach cobalt amounts above 50% in most of the experiments. A. thiooxidans presented lower bioleaching rates, with a maximum of 50% after 24 days of experiment. After reprocessing by bioleaching, the cobalt in solution was used for synthesis of new materials: such as LiCoO2 cathode and as adsorbent pesticide double lamellar hydroxide (HDL Co-Al-Cl) by the Pechini and co-precipitation methods. The reprocessed LiCoO2 presented a unique stoichiometric phase relative to the HT-LiCoO2 structure similar to the JCPDS 44-0145, presenting electrochemical activity when tested as a cathode material. The double lamellar hydroxide Co-Al-Cl was tested as pesticide adsorbent, being possible to adsorb around 100% of the pesticide. The bioleaching was efficient in the recovery of cobalt present in lithium-ion batteries and microorganisms presented high tolerance to the residue, being able to bioleach even at higher LiCoO2 concentrations. The cobalt bioleaching medium did not impair the synthesis phases and the obtained materials presented structure and activity similar to the sintered materials from the reagents containing cobalt.

Estudo da dopagem no óxido de manganês tipo espinélio nanoestruturado no desempenho de um sensor potenciométrico para íons lítio

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Sistema de gerenciamento de energia para controle de carga/descarga entre baterias de lítio e ultracapacitores, envolvendo sistema de tração elétrica com frenagem regenerativa

Pós-graduação em Engenharia Elétrica - FEIS

Investigação do mecanismo cinético da reação de redução de oxigênio em solventes não aquosos

O aumento no consumo energético e a crescente preocupação ambiental frente à emissão de gases poluentes criam um apelo mundial favorável para pesquisas de novas tecnologias não poluentes de fontes de energia. Baterias recarregáveis de lítio-ar em solventes não aquosos possuem uma alta densidade de energia teórica (5200 Wh kg-1), o que as tornam promissoras para aplicação em dispositivos estacionários e em veículos elétricos. Entretanto, muitos problemas relacionados ao cátodo necessitam ser contornados para permitir a aplicação desta tecnologia, por exemplo, a baixa reversibilidade das reações, baixa potência e instabilidades dos materiais empregados nos eletrodos e dos solventes eletrolíticos. Assim, neste trabalho um modelo cinético foi empregado para os dados experimentais de espectroscopia de impedância eletroquímica, para a obtenção das constantes cinéticas das etapas elementares do mecanismo da reação de redução de oxigênio (RRO), o que permitiu investigar a influência de parâmetros como o tipo e tamanho de partícula do eletrocatalisador, o papel do solvente utilizado na RRO e compreender melhor as reações ocorridas no cátodo dessa bateria. A investigação inicial se deu com a utilização de sistemas menos complexos como uma folha de platina ou eletrodo de carbono vítreo como eletrodos de trabalho em 1,2-dimetoxietano (DME)/perclorato de lítio (LiClO4). A seguir, sistemas complexos com a presença de nanopartículas de carbono favoreceu o processo de adsorção das moléculas de oxigênio e aumentou ligeiramente (uma ordem de magnitude) a etapa de formação de superóxido de lítio (etapa determinante de reação) quando comparada com os eletrodos de platina e carbono vítreo, atribuída à presença dos grupos laterais mediando à transferência eletrônica para as moléculas de oxigênio. No entanto, foi observada uma rápida passivação da superfície eletrocatalítica através da formação de filmes finos de Li2O2 e Li2CO3 aumentando o sobrepotencial da bateria durante a carga (diferença de potencial entre a carga e descarga > 1 V). Adicionalmente, a incorporação das nanopartículas de platina (Ptnp), ao invés da folha de platina, resultou no aumento da constante cinética da etapa determinante da reação em duas ordens de magnitude, o qual pode ser atribuído a uma mudança das propriedades eletrônicas na banda d metálica em função do tamanho nanométrico das partículas, e estas modificações contribuíram para uma melhor eficiência energética quando comparado ao sistema sem a presença de eletrocatalisador. Entretanto, as Ptnp se mostraram não específicas para a RRO, catalisando as reações de degradação do solvente eletrolítico e diminuindo rapidamente a eficiência energética do dispositivo prático, devido ao acúmulo de material no eletrodo. O emprego de líquido iônico como solvente eletrolítico, ao invés de DME, promoveu uma maior estabilização do intermediário superóxido formado na primeira etapa de transferência eletrônica, devido à interação com os cátions do líquido iônico em solução, o qual resultou em um valor de constante cinética da formação do superóxido de três ordens de magnitude maior que o obtido com o mesmo eletrodo de carbono vítreo em DME, além de diminuir as reações de degradação do solvente. Estes fatores podem contribuir para uma maior potência e ciclabilidade da bateria de lítio-ar operando com líquidos iônicos.

Estudo da perda de energia e da flutuação estatística da perda de energia de íons de lítio em direções aleatórias do silício

Usando a técnica de Retroespalhamento Rutherford (RBS). no presente trabalho medimos a perda de energia e a flutuação estatística da perda de energia (straggling) como função da energia para íons de Li em alvos de silicio amorfo. Através do método dos marcadores. com amostras produzidas por implantação iônica e por epitaxia de feixe molecular,o poder de freamento foi medido em um intervalo de energia entre 250keV e 9MeV enquanto que o straggling foi determinado em um intervalo que foi de 450keV a 3MeV. Os resultados experimentais foram comparados com medidas prévias e com cálculos semi-empiricos realizados por Ziegler. Biersack e Littmark e por Konac et el., sendo encontrado um razoável acordo teórico-experimental. Foram também realizados cálculos baseados nos modelos teóricos de Aproximação por Convolução Perturbativa (PCA) e Aproximação por Convolução Unitária (UCA) propostos por Grande e Schiwielz O modelo PCA apresentou resultados aceitáveis para energias acima de 6MeV enquanto que os valores apresentados pelo divergem dos valores experimentais para energias abaixo de 2MeV. As medidas de straggling quando comparados com as predições da teoria de Bohr mostraram discrepâncias que foram entre 20% e 60%. Cálculos feitos com a aproximação para encontros binários (BEA) usando-se a secção de choque de Thompsom e a secção de choque proposta no trabalho de Vriens foram comparados com as medidas experimentais. Os resultados usando-se a secção de choque de Thompsom divergem por até 50%, enquanto que os valores calculados a secção de choque proposta por Vriens mostram uma concordância razoável para energias abaixo de 1MeV.

Preparação e caracterização eletroquímica de material catódico do tipo La2/3-xLi3xTiO3 para aplicações em baterias de Lítio

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Estudo eletroquímico da recuperação de metais de pilhas e de baterias descartadas após o uso

O objetivo da pesquisa é recuperar os principais metais presentes em um lote com uma mistura de diversos tipos de pilhas e de baterias descartadas após o uso, lote obtido em um posto de coleta. Para esse estudo, o resíduo das pilhas e das baterias foi moído, reduzido em forno elétrico, submetido à separação magnética e lixiviado. A composição química, após a lixiviação, foi reproduzida em uma solução sintética, que foi submetida à extração por solventes e reextração sendo que as soluções obtidas, após as reextrações, foram utilizadas como eletrólitos. Manganês, cobre, cobalto e níquel são recuperados na forma metálica após um tratamento que inclui as etapas pirometalúrgica, hidrometalúrgica e eletroquímica. Estudos anteriores definiram os parâmetros das etapas pirometalúrgica, lixiviação e extração por solventes que proporcionaram separação mais seletiva dos íons metálicos que se pretende recuperar. A contribuição do presente estudo é encontrar um processo que trate de todos os tipos de pilhas e de baterias juntos e recuperar seus metais mais importantes, evitando, assim, a etapa de separação prévia das baterias. Os filmes foram analisados quanto à sua espessura e composição.

Legislação sobre baterias

Consultoria Legislativa - Área XI - Meio Ambiente e Direito Ambiental, Organização Territorial, Desenvolvimento Urbano e Regional.

Estudo preliminar da determinação de amônio por cromatografia de íons e sua remoção em lixiviados de resíduos sólidos utilizando argilas

A quantidade de resíduos gerados tem crescido rapidamente, sendo maior que a taxa de crescimento populacional, indicando um aumento na geração per capita. Este fato torna preocupante a maneira como é realizada a disposição final de resíduos e o impacto ambiental gerado com isso. Dentre os impactos está a produção de chorume, um poluente de elevada carga orgânica com altas concentrações de amônio e forte coloração, produzido pela decomposição química e microbiológica dos resíduos sólidos depositados em um aterro. Em locais de destino como aterros sanitários, este chorume é drenado para tratamento a fim de não impactar o local onde foi implantado o aterro. Porém, no Brasil, em grande parte dos casos, este tratamento não acontece, deixando o ambiente mais suscetível à contaminação. Este trabalho teve como finalidade determinar a quantidade de amônio presente em amostras de chorume do aterro de Gramacho no Rio de Janeiro, utilizando a cromatografia de íons para a sua quantificação, além de estudar a remoção de amônio por processos de adsorção em materiais como argilominerais. As amostras de chorume in natura apresentaram valores de pH em torno de 8,0 e concentrações de amônio entre 1665,0 e 2788,8 mg.L-1. Nas amostras analisadas após a destilação do chorume foram encontrados valores de pH entre 8,6 e 9,7 e concentrações de amônio de até 6362,3 mg.L-1, verificando que a maior concentração deste íon é arrastada nos primeiros 50 mL da destilação. Os testes de adsorção obtiveram um potencial de remoção de até 47 % do total de amônio. A metodologia aplicada se mostrou eficiente para determinação de amônio, uma vez que o tratamento prévio minimiza a ação de interferentes. Os baixos valores de remoção de amônio reforçam a necessidade de maior aprofundamento deste estudo, o que seria uma alternativa interessante para minimizar a ação deste poluente no meio ambiente

Síntese e estudo das propriedades luminescentes do SrGa2O4 dopado com íons de Cr3+

Amostras policristalinas de Sr(Ga1-xCrx)2O4 com x = 0,01 foram estequiometricamente preparadas pela mistura dos materiais em pó SrCO3, Ga2O3 e Cr2O3. A estrutura cristalina da amostra dopada foi analisada pelas medidas de difração de raios-X. O padrão de difração revelou uma única fase relacionada a fase monoclínica do SrGa2O4. Os dados foram ajustados usando o Método de Rietveld para refinamento de estruturas e os parâmetros da rede foram determinados. A luminescência do íon de Cr3+ na rede do SrGa2O4 foi investigada pelas espectroscopias de excitação e emissão a temperatura ambiente, através das quais verificamos que os íons de Cr3+ estão localizados em dois sítios diferentes. Os espectros de emissão apresentam bandas largas associadas à transição eletrônica 4T2(4F) → 4A2(4F) para ambos os sítios. Estes resultados são analisados pela teoria de campo cristalino e o parâmetro de campo cristalino Dq e os parâmetros de Racah B e C são determinados pelas posições das bandas de excitação. A partir destes parâmetros determinamos um campo cristalino forte para ambos os sítios. Além disto, foram realizadas medidas de espectroscopia fotoacústica que confirmaram as transições identificadas e estimadas nos espectros de excitação.

Efeito da temperatura de secagem de dois tipos de silano e da supressão ou redução do tempo de condicionamento com ácido hidrofluorídrico na resistência de união entre uma cerâmica de dissilicato de lítio e um cimento resinoso

Este estudo avaliou o efeito de diferentes métodos de silanização e aplicação do ácido hidrofluorídrico (HF) sobre a resistência à microtração de uma cerâmica de dissilicato de lítio a um cimento resinoso. Quarenta blocos de IPS e.max Press /Ivoclar Vivadent (5x5x6mm) foram cimentados a blocos de resina Z250/3M ESPE (5x5x6mm) usando o cimento resinoso RelyX ARC/3M ESPE de acordo com os seguintes métodos de tratamento superficial: G1: 20s de ácido fluorídrico (HF) + silano não hidrolisado Primer-Activactor/Dentsply (SNH) seco à temperatura ambiente; G2: 20s HF + silano pré-hidrolisado RelyX Ceramic-Primer/3M ESPE (SPH) seco à temperatura ambiente; G3: 10s HF + SNH seco com ar quente (50oC-2min); G4: 10sHF + SPH seco com ar quente (50oC-2min); G5: sem ácido, SNH seco com ar quente (50oC-2min); G6: sem ácido, SPH seco com ar quente (50oC-2min); G7: sem ácido, SNH seco à temperatura ambiente; G8: sem ácido, SPH seco à temperatura ambiente. Antes de cada método de silanização, os blocos cerâmicos receberam acabamento com lixas de carbeto de silício (220-600) e limpeza com ácido fosfórico 37% (1min). A cimentação foi realizada com carga vertical de 1kg por 10min. Os conjuntos de cerâmica/cimento/resina foram armazenados em água destilada (37C) por 24 horas e depois seccionados em máquina de corte Isomet 1000 a fim de obter palitos (n = 40) de 1mm2 de área da seção transversal, que foram submetidos ao teste de microtração em máquina de ensaio universal Emic (v = 0,5mm/min). O modo de fratura foi avaliado em microscópio eletrônico de varredura. A análise estatística foi realizada utilizando ANOVA / Dunnett (p-valor = 0,000). As médias MPa e desvio padrão foram: G1-21,5 (8,9) BC; G2-30,5 (7,2) A; G3-19.4 (9.1) BC; G4-24,0 (9,0) B; G5-8.1 (3.2) D; G6 -18,0 (6,2) C; G7-7.8 (2,6) D; G8-6.3 (2,5) D. Grupos 2, 3, 4 e 6 não tiveram falhas prematuras dos palitos contra os grupos 1, 5, 7 e 8, que apresentaram 2,2; 44,4; 75,6 e 33,3% de perdas prematuras, respectivamente. O teste de correlação foi realizado apresentando significância estatística, com valor de -0,736 (p-valor = 0,000), mostrando que, a medida que o percentual de perda prematura aumenta, a média da MPa diminui. Quanto ao modo de fratura, observou-se 44,97% de falhas do tipo mista, 51,70% de falhas do tipo adesiva, 3,33% de falhas do tipo coesiva do cimento. Quando é realizada a supressão do condicionamento com HF como pré-tratamento da superfície cerâmica IPS e.max Press, a aplicação de silano SPH, associada ao seu tratamento térmico, deve ser o método de silanização recomendado, embora os valores mais elevados de resistência de união tenham sido os obtidos quando utilizado o condicionamento com HF por 20s. Quando é realizada a redução do tempo de condicionamento com HF para 10s, a aplicação do silano (SPH ou SNH) deve ser sempre associada ao seu tratamento térmico. O SNH só deve ser usado se as superfícies das cerâmicas IPS e.max Press forem tratadas com HF.

Propriedades luminescentes do SrGa2O4 dopado com íons de Ni2+

O objetivo deste trabalho é a síntese e investigação estrutural e óptica de amostras SrGa2O4 dopados com 1% de íons Ni2+. Estas amostras foram sintetizados por reação do estado sólido convencional, utilizando como materiais de partida de alta pureza Ga2O3, SrCO3 e NiO em quantidades estequiométricas. As amostras foram caracterizadas estruturalmente pelo método de difração de raios - X( XRD ) e as medições de difração mostraram que as amostras têm uma única fase monoclínica. Os padrões de XRD também foram refinados pelo método de Rietveld, que permitiu a determinação dos parâmetros de célula unitária. A Caracterização óptica das amostras puras e dopadas SrGa2O4 foram realizadas as medições a partir de fotoluminescência, de excitação e de absorção fotoacústica, à temperatura ambiente. Os espectros de emissão mostraram três bandas de emissão localizadas em 557 nm, 661 nm e 844 nm e foram identificadas essas bandas, respectivamente, com as seguintes transições eletrônicas :1T2 (1D) → 3A2 (3F), 3T1 (3F)→ 3A2 (3F) e 1T2 (1D) → 3T2 (3F). Os espectros de excitação mostraram seis bandas de absorção associadas às transições electrônicas do nível 3A2 (3F) para o 3T1 (3P) , T1 (3P), 1A1 (1G), 1T2 (1D), 3T1 (3F), 1E (1D) e 1T2, 1E (1G). Medidas de absorção fotoacústica também foram realizados com o fim de verificar as transições ópticas observadas nos espectros de excitação e de identificar novas bandas de absorção óptica. Os resultados demonstraram que os íons de Ni2+ ocupam dois locais octaédricos diferentes na amostra SrGa2O4 dopado. A partir das transições ópticas observadas nos espectros de excitação e fotoacústica, determinou-se o parâmetro de cristal de campo, dq, e parâmetros Racah, B e C. A proporção Dq / B ≈ 1.2 para ambos os locais são típicos para Ni2+ íons inseridos em redes de óxido e em coordenação octaédrica.