QUAL A IMPORTÂNCIA DO COBALTO NAS BATERIAS DE LÍTIO-ÍON?
O elemento químico cobalto, metal cinza-prateado encontrado principalmente como subproduto da mineração de níquel e cobre, é fundamental para diversas aplicações na indústria, destacando-se especialmente na sua utilização como material catódico de baterias de lítio-íon.
O cobalto se tornou um elemento estratégico para a indústria de tecnologia, devido à sua importância crítica na produção de baterias de lítio-íon, principalmente nos últimos anos devido ao aumento expressivo na produção de veículos elétricos.
No entanto, a crescente demanda por baterias de lítio-íon levou a preocupações com a segurança e a sustentabilidade do suprimento cobalto, já que sua produção é concentrada em um número limitado de países e muitas vezes envolve condições de trabalho precárias e impactos ambientais negativos.
O objetivo deste artigo é analisar a relação entre o cobalto e as baterias de lítio-íon, destacando a importância desse metal na produção dessas baterias, assim como as questões ambientais, sociais e de segurança associadas à sua extração.
A compreensão desses aspectos é crucial para promover práticas sustentáveis na indústria de baterias e garantir um futuro mais limpo e seguro para a tecnologia de baterias de lítio-íon.
Descoberta do cobalto
O cobalto foi descoberto pelo químico sueco Georg Brandt, no ano de 1739. Brandt, que era um químico talentoso, estava investigando um minério de cobre que tinha uma cor incomum, quando descobriu um novo elemento químico que ele chamou de cobalto. Ele foi capaz de isolar e caracterizar o elemento, que exibiu propriedades interessantes, como a capacidade de produzir cor em vidro e cerâmica.
Principais aplicações do cobalto
Ao longo dos anos, o cobalto tornou-se cada vez mais valioso e versátil, sendo usado em uma ampla gama de aplicações, desde tintas e corantes até ligas de alta resistência usadas em turbinas de avião e na indústria de energia. No entanto, a descoberta mais significativa relacionada ao cobalto foi seu papel como material catódico nas baterias de lítio-íon, que revolucionaram a tecnologia moderna.
Quais são as baterias de lítio-íon à base de cobalto?
As baterias a base de cobalto são:
Óxido de Lítio-Cobalto - (LiCoO2)
As baterias de óxido de lítio-cobalto, também conhecidas como LCO, foram desenvolvidas como uma bateria de lítio-íon de primeira geração e, posteriormente, ganharam uma boa participação de mercado. O LCO está amadurecendo e os sistemas mais novos incluem níquel, manganês e/ou alumínio para melhorar a longevidade, capacidade de carga e custo. Os usos incluem telefones celulares, tablets, laptops e câmeras. As baterias de LCO possuem aproximadamente 60% de cobalto em peso na composição do cátodo da bateria.
Óxido De Lítio Níquel Manganês Cobalto - (LiNiMnCoO2)
As baterias de Óxido De Lítio Níquel Manganês Cobalto, também conhecidas como Li-NMC melhoraram a vida útil e a energia específica em relação às baterias LCO. Os usos incluem veículos elétricos, dispositivos médicos e aplicações industriais.
Em geral, as baterias Li-NMC contêm cerca de 10-20% de cobalto em peso na composição do cátodo da bateria.
Óxido De Lítio Níquel Cobalto Alumínio - (LiNiCoAlO2)
As baterias Óxido De Lítio Níquel Cobalto Alumínio, também conhecidas como NCA, são um desenvolvimento mais recente e possuem densidades de energia ainda maiores do que as baterias NMC. No entanto, elas têm menor expectativa de vida. Os usos incluem veículos elétricos, dispositivos médicos e aplicações industriais.
As baterias de Li-NMC contêm cerca de 10% de cobalto em peso na composição do cátodo da bateria.
Por que usar cobalto em baterias de lítio-íon?
O cobalto é um elemento estável para a produção de baterias devido a vários fatores. Em primeiro lugar, o cobalto é capaz de interagir com os íons de lítio de maneira eficiente, o que é essencial para a armazenagem e liberação de energia elétrica em baterias de lítio-íon. Além disso, o cobalto tem uma alta densidade de energia e é capaz de suportar altas cargas elétricas, o que o torna ideal para aplicações de alta potência, como em veículos elétricos.
Ainda sobre sua alta densidade de energia, podemos dizer que para uma determinada quantidade de cobalto, é possível armazenar mais energia em comparação a outros materiais. Essas características tornam o cobalto um elemento crítico na produção de baterias de lítio-íon para veículos elétricos, que exigem alta densidade de energia e capacidade de suportar cargas elétricas intensas para garantir um bom desempenho.
Outra vantagem do cobalto é a sua capacidade de resistir a altas temperaturas e à corrosão, o que contribui para a vida útil da bateria. Além disso, a sua disponibilidade e baixo custo em comparação com outros metais também o tornam uma opção atraente para a indústria de baterias.
Na figura 3 podemos observar os fatores que tornam o cobalto um elemento importante para baterias, sobretudo para veículos elétricos.
O cobalto é uma parte essencial das baterias de lítio-íon que dão aos veículos elétricos o alcance e a durabilidade necessários aos consumidores.
A maioria dos veículos elétricos modernos usa baterias de óxido de lítio-níquel-manganês-cobalto (NMC) que possuem um cátodo contendo em torno de 10-20% de cobalto. Sua alta potência específica e longa vida útil são adequadas para veículos elétricos, ferramentas elétricas e bicicletas elétricas.
Como funcionam as baterias de lítio a base de cobalto?
As baterias de lítio-íon a base de cobalto geralmente possuem três componentes principais: o cátodo, o ânodo, e o eletrólito.
Cátodo
O cátodo é a parte da bateria que contém o cobalto e é responsável por armazenar a carga elétrica. Geralmente é composto por óxido de lítio-Cobalto (LiCoO2) ou outras misturas de metais, como níquel, manganês e cobalto (LiNiCoMnO2), ou alumínio (LiNiCoAlO2). O cátodo é geralmente positivamente carregado.
Ânodo
O ânodo é a parte da bateria que é negativamente carregada e geralmente é feito de grafite.
Eletrólito
O eletrólito é composto de uma solução de sal de lítio dissolvido em um solvente orgânico, como o etileno carbonato ou o dimetilcarbonato.
Esses três componentes trabalham juntos para permitir a movimentação dos íons de lítio entre o cátodo e o ânodo durante a carga e descarga da bateria.
Processo de carga e descarga
O processo de carga e descarga de uma bateria de lítio-íon a base de cobalto ocorre através da movimentação de íons de lítio entre os eletrodos da bateria.
Durante a carga, a corrente elétrica é aplicada à bateria, o que faz com que os íons de lítio sejam extraídos do cátodo, e se movam através do eletrólito até o ânodo. Nesse processo, os elétrons são removidos do cátodo, que se torna positivamente carregado, enquanto o ânodo recebe os elétrons e se torna negativamente carregado. Os íons de lítio se acumulam no ânodo e formam um depósito de lítio metálico, que é capaz de armazenar energia elétrica.
Durante a descarga, a bateria é conectada a um circuito elétrico externo, o que faz com que os íons de lítio se movam do ânodo de volta para o cátodo, gerando uma corrente elétrica que pode ser utilizada para alimentar um dispositivo ou sistema. Nesse processo, os elétrons fluem do ânodo para o cátodo, fornecendo energia elétrica ao circuito externo.
Produção global de minas de cobalto
O cobalto é relativamente raro e ocorre na crosta terrestre na faixa de 0,001-0,002%, onde é encontrado na forma de minérios, tais como a cobaltita (CoS2.CoAs2), a linaeita (Co3S4), a esmaltita (CoAs2) e a eritrita (3CoO.As2O5.8H2O).
De acordo com estimativas preliminares do US Geological Survey (USGS), a produção global de minas de cobalto em 2022 foi recorde em cerca de 190.000 toneladas, o que representa um aumento de 15% em relação a 2021 (165.000 toneladas).
O USGS disse que o aumento na produção global de minas de cobalto em 2022 se deveu principalmente à expansão da produção na República Democrática do Congo (RDC) e na Indonésia, onde novos projetos de mineração e processamento estavam iniciando a produção.
Com 130.000 toneladas de cobalto produzidas em 2022, a República Democrática do Congo foi a maior fonte mundial de cobalto extraído, respondendo por cerca de 68% da produção global de minas de cobalto. A RDC foi seguida pela Indonésia (10.000 toneladas) e Rússia (8.900 toneladas).
O USGS acrescentou que, com exceção de alguma produção nos Estados Unidos, produção em Marrocos e cobalto extraído artesanalmente na RDC, a maior parte do cobalto é extraída como subproduto do cobre ou níquel.
Segundo o relatório, a China foi o principal produtor mundial de cobalto refinado em 2022, a maior parte produzida a partir de cobalto parcialmente refinado importado da RDC.
A China também é o maior consumidor mundial de cobalto, com cerca de 80% de seu consumo utilizado pela indústria de baterias recarregáveis.
Problemas que envolvem a mineração do cobalto
A mineração de cobalto tem sido associada a uma série de problemas ambientais, sociais e de saúde. A maior parte do cobalto é extraído na República Democrática do Congo (RDC), um país que sofre com conflitos armados, instabilidade política e corrupção. A exploração de cobalto na RDC é frequentemente realizada por empresas que não seguem padrões de segurança adequados, o que coloca em risco a saúde e a segurança dos trabalhadores.
Além disso, a mineração de cobalto pode causar danos ambientais significativos, como a contaminação do solo e da água por substâncias químicas tóxicas utilizadas no processo de extração. Há também a questão da extração de cobalto em áreas de preservação ambiental, que pode causar danos irreparáveis ??às áreas naturais.
A mineração de cobalto também é frequentemente associada ao trabalho infantil e ao trabalho forçado. Crianças e adultos são forçados a trabalhar em condições precárias para extrair o mineral, muitas vezes recebendo salários muito baixos e sofrendo abusos físicos e psicológicos.
Todas essas questões fazem com que a mineração de cobalto seja altamente controversa e levou a um aumento da demanda por alternativas mais éticas e sustentáveis, pesquisadores estão buscando alternativas ao uso de cobalto em baterias de lítio-íon para reduzir esses impactos ambientais e sociais.
Conclusão
O cobalto é um material crucial e valioso para a fabricação de diversas baterias de lítio-íon, devido à sua alta densidade de energia e capacidade de fornecer uma tensão estável e confiável. No entanto, existe a preocupação em relação a extração e produção de cobalto, que podem causar impactos ambientais negativos e condições de trabalho precárias em países produtores, especialmente na República Democrática do Congo. Por estes motivos e por ser um material relativamente raro na natureza, é importante que a indústria e as pesquisas continuem a desenvolver alternativas mais sustentáveis e acessíveis para as baterias de lítio-íon, que possam reduzir o uso de cobalto e outros materiais caros e escassos. A busca por soluções mais eficientes e sustentáveis é essencial para atender à crescente demanda global por armazenamento de energia e veículos elétricos, e para garantir um futuro mais limpo e sustentável para as próximas gerações.