Estudo da Penn State transforma garrafas PET em grafite sintético para baterias de iões de lítio

Todos os dias, milhões de garrafas de plástico acabam no lixo depois de uma única utilização. Para a maioria das pessoas, não passam de resíduos com pouco interesse para lá do ecoponto ou do aterro.

Em paralelo, a procura de baterias continua a crescer, à medida que os veículos eléctricos, os smartphones, os computadores portáteis e o armazenamento de energia renovável se tornam cada vez mais comuns.

À primeira vista, estes dois desafios parecem não ter ligação: de um lado, o aumento dos resíduos; do outro, a pressão crescente sobre materiais considerados críticos.

Um novo estudo da Pennsylvania State University (Penn State) indica, porém, que um problema pode ajudar a atenuar o outro.

A equipa de investigação converteu garrafas de plástico PET descartadas em grafite sintético de elevada qualidade - e esse material superou a grafite natural usada na maioria das baterias de iões de lítio.

Se esta abordagem for ampliada para escala industrial, garrafas antigas poderão vir a contribuir para alimentar as baterias do futuro.

Dois problemas a cruzarem-se

A produção mundial de plástico ronda 300 milhões de toneladas por ano, e cerca de metade corresponde a produtos de utilização única.

O PET está entre os principais responsáveis, presente em garrafas de bebidas e em recipientes alimentares por todo o lado.

Apenas uma pequena fracção é reciclada de forma adequada. O restante é incinerado, reciclado para produtos de menor valor ou fica depositado em aterros.

Ao mesmo tempo, a necessidade de grafite está a aumentar rapidamente. O Departamento de Energia dos EUA (DOE) classifica-a como mineral crítico, e ela constitui o ânodo de praticamente todas as baterias de iões de lítio.

Os veículos eléctricos podem exigir até 70 quilogramas (150 pounds) de grafite por automóvel. As projecções indicam que a procura de grafite de qualidade para baterias pode quadruplicar até 2030.

Porque as garrafas de plástico resistem a virar grafite

Transformar PET em grafite de boa qualidade é mais complicado do que parece. Este polímero contém cerca de 33 percent de oxigénio em massa, e esse oxigénio cria problemas sérios durante o aquecimento.

Quando o PET se decompõe, o oxigénio promove uma forte reticulação entre fragmentos de carbono. Em vez de formar camadas de grafite bem organizadas, o material fica “preso” num carvão desordenado e turbostrático.

Nem sequer temperaturas muito elevadas, acima de 1800 graus Celsius (cerca de 3,270 graus Fahrenheit), conseguem resolver a questão.

Durante décadas, a solução mais comum passou por adicionar catalisadores metálicos, como ferro, níquel ou cobalto.

Esses metais ajudam a grafitização, mas deixam contaminantes. Removê-los implica etapas químicas adicionais - algo particularmente relevante quando se pretende material para baterias, onde a pureza é determinante.

Uma solução com óxido de grafeno

A equipa da Penn State seguiu um caminho diferente, dispensando por completo catalisadores metálicos. Misturaram PET triturado com uma quantidade muito pequena de óxido de grafeno e, depois, submeteram a mistura a um tratamento térmico cuidadosamente controlado.

O óxido de grafeno é uma folha de carbono com uma única camada, pontuada por grupos com oxigénio. Essas folhas funcionam como modelos (templates), orientando os átomos de carbono para se organizarem em empilhamentos ordenados à medida que o plástico carboniza.

“Most people think of a plastic bottle as waste once they’re done using it,” said Shakshi Sekar, lead author of the study.

“Our work shows that the same material can become a valuable resource for producing graphite, which is essential for modern battery technologies,” Sekar said.

A grafite do plástico supera a natural

O melhor resultado surgiu com uma adição mínima. Ao incorporar apenas 2.5 percent de óxido de grafeno em massa, com baixo teor de oxigénio, obteve-se a grafite de maior qualidade de todo o conjunto.

Nessas condições, os cristalitos cresceram de forma invulgarmente grande e bem alinhada. A largura do cristal atingiu cerca de 114 nanometers e a altura de empilhamento cerca de 27 nanometers.

Ambos os valores superam os da grafite natural, que fica por volta de 100 e 24.6 nanometers. Em comparação com o carvão obtido apenas de PET, a largura aumentou aproximadamente 228 percent e a altura cerca de 200 percent.

“We’re not simply finding a use for waste plastic,” Sekar said.

“We’re creating a valuable material that could help support the growing demand for batteries and clean energy technologies,” Sekar said.

Como funciona o efeito de modelação

O oxigénio presente no óxido de grafeno faz grande parte do trabalho, mas a sua posição na estrutura é decisiva. Grupos com oxigénio localizados nas extremidades das folhas desencadeiam o crescimento lateral do cristal, alargando cada domínio de grafite.

Já o oxigénio situado no plano basal promove reticulação que ajuda as camadas em crescimento a alinharem-se de forma coerente. Além disso, a superfície plana sp2 favorece o empilhamento paralelo ao atrair carbono através de interacções π–π.

A grafeno “puro”, sem oxigénio, actua por um mecanismo duplo ligeiramente distinto: as extremidades reactivas iniciam o crescimento lateral, enquanto a superfície limpa orienta o empilhamento vertical.

Grafite mais limpa sem recurso a metais

Para a indústria, o facto de evitar metais pode ser a vantagem mais relevante. Sem catalisador, não há resíduos de ferro ou níquel para eliminar mais tarde.

“By avoiding metal catalysts, we can produce cleaner graphite while reducing chemical use and waste generation,” Sekar said.

Esta simplificação tem potencial para reduzir tanto o custo como a pegada ambiental da produção de materiais para baterias.

De forma convencional, produzir uma tonelada de grafite de qualidade para baterias consome cerca de 11,000 megajoules de energia e liberta aproximadamente cinco toneladas de dióxido de carbono.

Dois tipos de carbono úteis num só processo

O método apresenta ainda uma segunda vantagem importante. Conforme o aditivo e a percentagem incorporada, a mesma abordagem pode gerar simultaneamente carbono grafítico e carbono duro.

O carbono grafítico é adequado para ânodos de baterias de iões de lítio, que dominam dispositivos como telemóveis e automóveis eléctricos. O carbono duro, por ser não grafítico, é valorizado em baterias de iões de sódio, apontadas como opção mais económica para armazenamento em rede.

Assim, um único fluxo de resíduos pode abastecer dois caminhos distintos no armazenamento de energia - uma flexibilidade particularmente atractiva num mercado com necessidades variadas.

Repensar o que significa “resíduo”

Ainda existe um caminho significativo entre a validação em laboratório e a adopção numa linha de produção. Será necessário testar a fabricação em grande escala e avaliar o desempenho do material dentro de baterias reais.

Mesmo assim, a implicação é clara - e inesperada. Um material normalmente tratado como lixo começou a comportar-se como matéria-prima para tecnologia avançada.

“If waste plastic can become a feedstock for advanced energy materials, it changes how we think about recycling,” Sekar said.

“Instead of viewing plastic as a disposal problem, we can see it as a resource that helps support clean energy technologies.”