Um estudo da pirólise redutiva do catodo NMC532 de baterias descartadas de íons de lítio com e sem a adição do material do ânodo

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dc.contributor.advisorScarminio, Jair
dc.contributor.authorSantos, Gabriel Gonzaga dos
dc.contributor.bancaUrbano, Alexandre
dc.contributor.bancaSilva, Stephany Pires da
dc.coverage.extent89 p.
dc.coverage.spatialLondrina
dc.date.accessioned2024-09-30T14:25:06Z
dc.date.available2024-09-30T14:25:06Z
dc.date.issued2024-02-27
dc.description.abstractPara processar adequadamente a enorme quantia de baterias de íons de lítio (BILs) esgotadas que têm sido geradas atualmente, métodos e processos de reciclagem mais eficientes, de menor custo e menos poluidores vêm sendo constantemente pesquisados. Entre os métodos propostos recentemente, a pirólise redutiva à base de carbono tem se destacado pela simplicidade e alta eficiência na recuperação do lítio das BILs na forma do carbonato Li2CO3, além de reduzir os estados de oxidação dos demais metais, facilitando sua posterior recuperação por processos hidrometalúrgicos. O Li2CO3 é então separado dos demais produtos por simples lavagem com água. Apesar dos notáveis avanços, a técnica ainda carece de estudos mais aprofundados, em particular a identificação e quantificação dos produtos da pirólise e das suas reações em função da dosagem de carbono reativo e da temperatura das reações. Assim, este trabalho apresenta um estudo experimental da pirólise redutiva do catodo Li1-xNi0,5Mn0,3Co0,2O2 (NMC532) em função de temperaturas reacionais até 800 °C, utilizando o carbon black e o PVDF presentes no catodo (carbono nativo - CN) como dosagem mínima de carbono reacional e sob a adição de 5% em massa do material do ânodo como fonte extra de carbono (CE). Medidas de DRX revelaram que a fase NMC532 se mantém estável até 500 oC, independentemente da concentração de carbono. Sob o carbono nativo, o NMC532 é parcialmente decomposto em 550 °C, mas já gerando o carbonato de Li. Em 600 °C o NMC532 é totalmente decomposto nas fases (MnO)x(NiO)y, Li0,185Co0,815O, Ni metálico e Li2CO3 em maior concentração. A 700 e 800 °C nenhum produto novo foi obtido das pirólises. Sob a adição de CE, os produtos da pirólise do NMC532 a 550 e 600 oC foram os mesmos obtidos sob o CN, além de grafite não reagido. Em 700 °C, o Li2CO3 é a única fase contendo Li e em sua maior concentração, além dos produtos CoO, MnO, Ni e Co e grafite residual. Em 800 °C o CoO é reduzido para Co, restando as fases MnO, Ni e Co metálicos uma diminuição na concentração de Li2CO3 por sua volatilização. Medidas in-situ e ex-situ da massa dos produtos das pirólises por TG/DSC e balança analítica mostraram um aumento da massa em torno de 550 a 700 °C devido a formação do Li2CO3 pela captura do CO2 gasoso gerado em reações com o CN e CE. Análises de FTIR dos produtos das pirólises confirmaram a formação do Li2CO3 e a dependência da sua concentração com a temperatura e concentração de carbono reacionais. Observou-se ainda uma correlação entre as variações do modo vibracionais na região dos óxidos metálicos com os óxidos identificados por DRX nas diferentes pirólises. O estudo mostrou então que nas pirólises com o CN nem todo lítio do catodo NMC532 é recuperado como carbonato, independente da temperatura reativa. Por outro lado, sob adição de 5% CE, todo Li é convertido na pirólise a 700 °C em Li2CO3 e o Ni, Mn e Co em produtos metálicos ou monóxidos.
dc.description.abstractother1In order to properly process the huge amount of exhausted lithium-ion batteries (LIBs) that are currently being generated, more efficient, lower-cost and less polluting recycling methods and processes are constantly being researched. Among the recently proposed methods, carbon-based reductive pyrolysis has stood out for its simplicity and high efficiency in recovering lithium from LIBs in the form of Li2CO3 carbonate, as well as reducing the oxidation states of the other metals, facilitating their subsequent recovery by hydrometallurgical processes. Li2CO3 is then separated from the other products by simple washing with water. Despite the notable advances, the technique still lacks more in-depth studies, in particular the identification and quantification of the pyrolysis products and their reactions depending on the dosage of reactive carbon and the temperature of the reactions. Therefore, this work presents an experimental study of the reductive pyrolysis of the Li1-xNi0.5Mn0.3Co0.2O2 (NMC532) cathode as a function of reaction temperatures up to 800 °C, using the carbon black and PVDF present in the cathode (native carbon - NC) as the minimum dosage of reactive carbon and under the addition of 5% by mass of the anode material as an extra carbon source (EC). XRD measurements revealed that the NMC532 phase remains stable up to 500 °C, regardless of the carbon concentration. Under native carbon, NMC532 is partially decomposed at 550 °C, but already generating Li carbonate. At 600 °C, NMC532 is completely decomposed into the phases (MnO)x(NiO)y, Li0.185Co0.815O, metallic Ni and Li2CO3 in higher concentration. At 700 and 800 °C, no new products were obtained from the pyrolysis. Under the addition of EC, the pyrolysis products of NMC532 at 550 and 600 °C were the same as those obtained under NC, plus unreacted graphite. At 700 °C, Li2CO3 is the only phase containing Li and in its highest concentration, as well as the products CoO, MnO, Ni and Co and residual graphite. At 800 °C, CoO is reduced to Co, with the MnO, Ni and Co metallic phases remaining and a decrease in the concentration of Li2CO3 due to its volatilization. In-situ and ex-situ measurements of the mass of the pyrolysis products by TG/DSC and analytical balance showed an increase in mass around 550 to 700 °C due to the formation of Li2CO3 by capturing the gaseous CO2 generated in reactions with NC and EC. FTIR analysis of the pyrolysis products confirmed the formation of Li2CO3 and the dependence of its concentration on the reaction temperature and carbon concentration. A correlation was also observed between the vibrational mode variations in the metal oxide region and the oxides identified by XRD in the different pyrolysis. The study then showed that in pyrolysis with NC, not all the lithium from the NMC532 cathode is recovered as carbonate, regardless of the reaction temperature. On the other hand, with the addition of 5% EC, all Li is converted in the pyrolysis at 700 °C into Li2CO3 and Ni, Mn and Co into metallic products or monoxides.
dc.identifier.urihttps://repositorio.uel.br/handle/123456789/17826
dc.language.isopor
dc.relation.departamentCCE - Departamento de Física
dc.relation.institutionnameUniversidade Estadual de Londrina - UEL
dc.relation.ppgnamePrograma de Pós-Graduação em Física
dc.subjectBaterias de íons de lítio
dc.subjectPirólise redutiva
dc.subjectNMC532
dc.subject.capesCiências Exatas e da Terra - Física
dc.subject.cnpqCiências Exatas e da Terra - Física
dc.subject.keywordsLithium-ion batteries
dc.subject.keywordsReductive pyrolysis
dc.subject.keywordsNMC532
dc.titleUm estudo da pirólise redutiva do catodo NMC532 de baterias descartadas de íons de lítio com e sem a adição do material do ânodo
dc.title.alternativeA study of reductive pyrolysis of the NMC532 cathode of discarded lithium-ion batteries with and without the addition of anode material
dc.typeDissertação
dcterms.educationLevelMestrado Acadêmico
dcterms.provenanceCentro de Ciências Exatas

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