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Título: Avaliação da composição química do material ativo do cátodo de baterias de íon-Lítio exauridas após lixiviação com ácido cítrico e análise por ICP OES
Autor(es): Almeida, Jenifer Rigo
Orientador: Athayde, Geisamanda Pedrini Brandão
Coorientador: Freitas, Marcos Benedito José Geraldo de
Palavras-chave: Spent lithium-ion batteries
Active cathode material
Data do documento: 27-Mar-2017
Editor: Universidade Federal do Espírito Santo
Resumo: Baterias de íon-Lítio (LIBs) exauridas são consideradas resíduos sólidos perigosos devido à presença de metais e compostos orgânicos em sua composição, representando desperdício de recursos naturais não renováveis e de metais valiosos quando descartadas. Este trabalho tem por objetivo fornecer dados quantitativos sobre a composição química do material ativo do cátodo (MAC) de diferentes LIBs exauridas visando monitorar variações com o passar dos anos e auxiliar nos processos de reciclagem do material. Os elementos Al, Co, Cr, Cu, Ga, Li, Mg, Mn, Ni, Ti e Zn foram determinados por espectrometria de emissão óptica com plasma indutivamente acoplado (ICP OES) após lixiviação ácida empregando 2,0 mol.L-1 de ácido cítrico (HCit) e H2O2 (0,25 mol.L-1) como alternativa ambientalmente favorável. As condições otimizadas para adequação do meio às curvas analíticas foram: para Al, Cu: Curva de HCit diluído 10 vezes sem padrão interno (PI); para Co, Li, Mn, Ni: Curva de HCit diluído 500 vezes sem PI; para Ga, Zn: Curva de HCit diluído 10 vezes com Y. O procedimento analítico empregado alcançou limites de detecção de 0,01 mg.L-1 para Al; 0,20 mg.L-1 para Co; 0,006 mg.L-1 para Cr; 0,02 mg.L-1 para Cu; 0,004 mg.L-1 para Ga; 0,02 mg.L-1 para Li; 0,0005 mg.L-1 para Mg; 0,07 mg.L-1 para Mn; 0,70 mg.L-1 para Ni; 0,0005 mg.L-1 para Ti e 0,007 mg.L-1 para Zn. A exatidão do procedimento foi confirmada por testes de adição e recuperação dos analitos obtendo-se valores entre 92-113 %. Os elementos majoritários Co (43-67 % m/m), Li (5,3-6,8 % m/m), Mn (0,8-8,2 % m/m), Ni (0,1-11,7 % m/m) e Al (0,06-3,2 % m/m) e os elementos minoritários Cr (0,0005-0,002 % m/m), Cu (0,01-0,05 % m/m), Mg (0,005-0,02 % m/m), Ti (0,001-0,07 % m/m), Ga (0,0009-0,03 % m/m) e Zn (0,009-0,05 % m/m) demonstraram que a composição do MAC pode variar de acordo com a capacidade e ano de fabricação. As baterias mais antigas foram as que apresentaram maiores teores de Co e Li. As baterias de menor capacidade foram as que continham os maiores teores de Mn e Ni, indicando que o Co foi substituído. O pó do MAC e o resíduo após lixiviação foram caracterizados por difratometria de raios X (DRX) obtendo-se LiCoO2 como composto principal, podendo ser reutilizado.
ABSTRACTSpent Lithium-ion batteries (LIBs) are considered hazardous solid wastes due to the presence of metals and organic solvents in their composition, representing waste of non-renewable natural resources and valuable metals when discarded. This work is aimed to provide quantitative data about the chemical composition of cathode active material (CAM)of different spent LIBs in order to monitor variations over the years and assist in material recycling processes. The metals Al, Co, Cr, Cu, Ga,Li, Mg, Mn, Ni, Ti and Zn were determined by inductively coupled plasma optical emission spectrometry (ICP OES) after acid leaching using citric acid (2.0 molL-1) and H2O2(0.25 molL-1) as an environmentally friendly alternative. The optimized conditions for the adaptation of the medium to the analytical curves were:for Al, Cu: HCit curve diluted 10 times without internal standard (IS); For Co, Li, Mn, Ni: HCit curve diluted 500-times without IS; For Ga, Zn: HCit curve diluted 10 times with Y. The analytical procedureemployed reached detection limits of 0.01 mgL-1for Al; 0.20 mgL-1for Co; 0.006 mgL-1for Cr; 0.02 mgL-1for Cu; 0.004 mgL-1for Ga; 0.02 mgL-1for Li; 0.0005 mgL-1for Mg; 0.07 mgL-1for Mn; 0.70 mgL-1for Ni, 0.0005 mgL-1for Ti and 0.007 mgL-1for Zn. The accuracy of the procedure was confirmed by analytical recovery tests with values between 92-113%.The major elements Co (43-67% wt), Li (5.3-6.8% wt), Mn (0.8-8.2% wt), Ni (0.1-11.7% wt) And Al (0.06-3.2% wt) and the minor elements Cr (0.0005-0.002% wt), Cu (0.01-0.05% wt), Mg (0.005-0.02% wt), Ti (0.001-0.07% wt), Ga (0.0009-0.03% wt) and Zn (0.009-0.05% wt) demonstrated that the CAMcomposition may vary according to the capacity and year of manufacture. The older batteries showed the greatest Co and Li levels. The lower capacity batteries were those containing the highest concentrations of Mn and Ni, indicating that Co was replaced. The powder CAM and the residue after leaching were characterized by X-ray diffraction (XRD) yielding the title compound as LiCoO2and can be reused.
URI: http://repositorio.ufes.br/handle/10/7345
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