Processing and characterization of electroactive material of the cathode from discarded lithium-ion batteries to recycling

A popularização de diversos produtos eletrônicos, principalmente os telefones celulares, tem gerado um enorme crescimento na produção e no consumo de baterias de íon-lítio, usadas como fonte de energia nestes dispositivos. Este fato trouxe consigo o desafio da gestão das baterias usadas, já que seu descarte inadequado causa problemas ambientais e à saúde dos seres vivos. Surge então, junto com esta necessidade, uma oportunidade de negócios, voltados para a reciclagem dessas baterias. Este trabalho apresenta um estudo sobre o processamento do material eletroativo do catodo de baterias descartadas de íon-lítio de telefones celulares, visando reordenar a estrutura cristalográfica do material LiCoO2 através de tratamentos térmicos em 700 e 800 °C, em atmosfera oxidante (O2). Os catodos foram extraídos de seis baterias comerciais descartadas de três diferentes marcas, e com diferentes estados de saúde (SOH). As baterias foram abertas individualmente e o eletrólito foi extraído à vácuo por condensação. O material eletroativo do catodo aderente ao coletor metálico foi extraído por dissolução do ligante PVDF no solvente N-metil-pirrolidona (NMP), e mostrou ser um método eficiente para realizar o descolamento do pó de LiCoO2 da folha de alumínio (coletor). Análises por fluorescência de raios X indicaram a presença do elemento químico Co no pó de todos os catodos, além de Ni e Mn em um deles. Micrografias por MEV indicaram uma correlação entre a qualidade dos grãos do pó como-extraído com o SOH das baterias. Análises por difração de raios X seguida de refinamentos Rietveld mostraram que os tratamentos térmicos em 700 e 800 °C decompõem todos os óxidos como-extraídos, no composto Li1,0CoO2 e no óxido Co3O4, além de formar óxidos de Ni no pó que originalmente o contém. Os tratamentos térmicos alteram significativamente os parâmetros de rede do composto LiCoO2. Foi possível correlacionar o SOH das baterias com a razão c/a e com as intensidades relativas dos picos referentes aos planos de difração (003), (104) e (101), como um indicativo do reordenamento cristalográfico, como também pelo tamanho e aparência dos grãos dos pós. Verificou-se ainda que a concentração de Co3O4aumentacom o aumento da temperatura do tratamento térmico, e diminui com o aumento do SOH das baterias.The popularization of various electronic products, as mobile phone devices in special, drove to a huge increasing in the production and consumption of lithium-ion batteries, the source of power for these devices. This brought the challenge of an appropriate management for disposed batteries, since inadequate discard can result in negative impacts on the ambience as well as on the health of living organisms. Then, comes along with this need, a business opportunity, focused on recycling those batteries. This monograph presents a study on the processing of the cathode electroactive material of discarded lithium-ion cell phone batteries, aiming to reorder the crystal structure of the LiCoO2 compound, by heat treatments at 700 and 800 ° C under oxygen atmosphere. The cathodes were extracted from six commercial discarded batteries of three different manufacturers and at different states of health (SOH). The batteries were individually opened and the electrolyte was extracted by vacuum condensation. The cathode electroactive material, bonded to its metallic collector, was removed by dissolving the PVDF binder in a N-methylpyrrolidone (NMP) solution, and shown to be an efficient method to detach the LiCoO2 powder from the aluminum foil (collector). X-ray fluorescence analysis indicated the presence of the Co element in all cathode powders, as well as Ni and Mn in one of this cathode. SEM micrographs showed a correlation between the grain quality of the as-extracted powder with the battery SOH. Rietveld refinements from the X-ray diffractograms showed that the heat treatment at 700 and 800 °C decompose all the as-extracted oxides into Li1,0CoO2 and Co3O4 oxides, as well as in Ni oxides from the powder containing it. The heat treatments change significantly the cell parameters of the LiCoO2 compound. It was possible to correlate the battery SOH values with the c/a ratio, with the relative intensities of the diffraction peaks I(003)/I(104) and I(003)/(101), as a indicative of the crystallographic reordering, as well as with the size and appearance of the as extracted grains. It was also found that the concentration of Co3O4 increases with increasing heat treatment temperature, and decreases with increasing battery SOH