Refinação eletroquímica de lítio: como a Enso apoia a produção de LiOH

No primeiro artigo desta série, explorámos as razões pelas quais o refino de lítio e a reciclagem de lítio estão a tornar-se cada vez mais importantes para as baterias, a mobilidade elétrica e o armazenamento de energia. À medida que a procura de lítio cresce, o desafio já não se limita à garantia do abastecimento de matérias-primas. Envolve também a transformação de fluxos que contêm lítio em materiais de alta qualidade para baterias, através de processos eficientes, escaláveis e cada vez mais circulares.

Este segundo artigo analisa mais detalhadamente a tecnologia subjacente a essa transformação.

A via eletroquímica parte de um princípio simples: o lítio pode estar presente em diferentes fluxos de sais, e esses sais podem ser separados por eletrólise para se obter hidróxido de lítio (LiOH).

No processamento do lítio, dois sais são particularmente relevantes: cloreto de lítio (LiCl) e sulfato de lítio (Li₂SO₄). O cloreto de lítio pode ser obtido a partir de salmouras, incluindo as extraídas de depósitos de salar. O sulfato de lítio, por outro lado, é normalmente gerado através do tratamento de minerais de rocha dura, como o espodumênio, ou pode surgir em fluxos associados à reciclagem de baterias.

Em ambos os casos, a tecnologia da De Nora foi concebida para converter o sal de lítio em hidróxido de lítio monohidratado, a forma utilizada em aplicações de baterias. A configuração do eletrolisador varia consoante o sal: utiliza-se uma célula de dois compartimentos para o cloreto de lítio, enquanto que, para o sulfato de lítio, se recorre normalmente a uma célula de três compartimentos.

Esta flexibilidade é importante porque a Enso não se limita a uma única matéria-prima de lítio. Faz parte de uma plataforma mais ampla de separação de sais que pode ser aplicada a vários fluxos industriais, com o objetivo de converter sais em produtos químicos valiosos e reduzir os resíduos.

Quando a matéria-prima é o cloreto de lítio, o processo utiliza uma célula eletroquímica de dois compartimentos.

O cloreto de lítio é introduzido no lado anódico da célula. Durante a eletrólise, é gerado gás cloro no ânodo. O ião de lítio migra através de uma membrana de troca catiônica em direção ao compartimento catódico, onde se combina com iões hidróxido para formar hidróxido de lítio. No cátodo, também é produzido hidrogénio.

A reação global pode ser resumida da seguinte forma:

2LiCl + 2H₂O → 2LiOH + Cl₂ + H₂

O valor industrial do processo não reside apenas na produção de LiOH, uma vez que os subprodutos também podem ser valorizados. O cloro e o hidrogénio podem ser recombinados para produzir ácido clorídrico, que pode ser reutilizado em etapas anteriores do processo.

Este é um dos elementos de circularidade do processo: em vez de utilizar produtos químicos dispendiosos, gerando fluxos de resíduos que precisam de ser geridos ou eliminados, a via eletroquímica pode produzir fluxos que são potencialmente úteis no âmbito da cadeia mais ampla de processamento do lítio.

Quando a matéria-prima é o sulfato de lítio, o processo requer normalmente uma célula de três compartimentos.

Nesta configuração, o sulfato de lítio é introduzido no compartimento central. Através do processo eletroquímico, produz-se hidróxido de lítio no cátodo, enquanto se forma ácido sulfúrico no ânodo. Também se geram oxigénio e hidrogénio como parte do processo.

A reação global pode ser resumida da seguinte forma:

Li₂SO₄ + 3H₂O → 2LiOH + H₂SO₄ + ½O₂ + H₂

A produção de ácido sulfúrico é particularmente relevante, uma vez que este ácido pode ser reutilizado em operações a montante, por exemplo, no tratamento de minerais de lítio de rocha dura, como o espodumênio. Desta forma, a etapa eletroquímica pode apoiar um processo mais integrado, em que os produtos químicos gerados numa fase são reutilizados noutra.

Isto torna o processamento do sulfato de lítio especialmente relevante não só para a refinação primária, mas também para as vias de reciclagem, em que os fluxos contendo lítio podem ser recuperados após o tratamento de materiais de baterias em fim de vida.

A produção convencional de hidróxido de lítio pode envolver várias etapas químicas. Dependendo da matéria-prima, estas podem incluir precipitação, lavagem, conversão em carbonato de lítio, reação posterior para obter hidróxido de lítio, purificação e uma ou mais etapas de cristalização.

A via eletroquímica visa simplificar esta cadeia.

No caso do cloreto de lítio, a comparação interna de processos realizada pela De Nora mostra que várias etapas da via convencional podem ser substituídas por uma única fase de eletrólise. Na via convencional, o cloreto de lítio pode ser primeiro convertido em carbonato de lítio, que é depois cristalizado, lavado, convertido em hidróxido de lítio e posteriormente purificado. Com a conversão eletroquímica direta, a salmoura purificada pode ser introduzida no eletrolisador e convertida diretamente em hidróxido de lítio.

No caso do sulfato de lítio, aplica-se a mesma lógica. A via eletroquímica permite evitar etapas intermédias de precipitação de sólidos e lavagem, produzindo simultaneamente hidróxido de lítio e ácido sulfúrico num único processo.

Os potenciais benefícios dizem respeito tanto às despesas de capital (Capex), ou seja, o investimento necessário para construir a fábrica, como às despesas operacionais (Opex), ou seja, o custo de funcionamento ao longo do tempo.

Em primeiro lugar, um menor número de etapas do processo pode significar um Capex mais baixo, uma vez que a unidade requer menos equipamentos e apresenta menor complexidade de processo. Em segundo lugar, a redução da utilização de reagentes químicos a granel pode ajudar a diminuir o Opex, dependendo dos preços da eletricidade, dos custos dos reagentes e dos custos de eliminação de resíduos. Em terceiro lugar, o processo pode reduzir ou evitar alguns subprodutos residuais associados às vias convencionais, substituindo-os por fluxos químicos que podem ser recuperados ou reutilizados.

A tecnologia que está no centro da abordagem da De Nora em matéria de refinação e recuperação de lítio é o Enso.

O Enso é um eletrólise de dois ou três compartimentos concebido para processos de decomposição de sais. Nas aplicações de lítio, isto significa converter cloreto de lítio ou sulfato de lítio em hidróxido de lítio monohidratado. De forma mais ampla, o Enso pode ser aplicado a outros fluxos de sais, incluindo sulfato de sódio, carbonato de sódio, sulfato de amónio, sais de TMA e cloreto de sódio.

Uma das características mais importantes do Enso é a sua origem industrial. O seu design baseia-se na vasta experiência da De Nora Japão em cloro-álcali, lítio e outros processos eletroquímicos de grande escala. O cloro-álcali é um processo eletroquímico industrial em grande escala, e este contexto é fundamental para a fiabilidade e robustez da plataforma.

Esta é uma distinção significativa. O Enso não é um dispositivo de laboratório que a De Nora esteja a tentar ampliar. É derivado do know-how eletroquímico industrial desenvolvido para ambientes operacionais exigentes. Isto é importante porque a refinação e a reciclagem de lítio exigem não só desempenho químico, mas também fiabilidade a longo prazo, facilidade de manutenção, segurança e operabilidade.

Como salienta Michele Sponchiado, Diretor de Desenvolvimento de Negócios — Unidade de Negócios de Transição Energética e Hidrogénio da De Nora, «Este é um dos pontos fortes do equipamento. Foi concebido para grandes instalações de cloro-álcali. Não se trata de algo desenvolvido em laboratório e posteriormente ampliado. Nasceu para instalações industriais de grande dimensão e exigentes, pelo que é muito fiável e de elevado desempenho.»

A gama Enso da De Nora está estruturada para acompanhar os clientes ao longo de todo o percurso de aumento de escala.

A configuração Lab é utilizada para a aquisição inicial de dados. Permite à De Nora e ao cliente testar os requisitos de pré-tratamento da salmoura, as condições de funcionamento e a pureza do produto. Esta fase é importante porque as correntes que contêm lítio podem variar significativamente consoante a sua origem, e a qualidade da salmoura alimentada à etapa eletroquímica é um fator crítico.

A configuração Demo é utilizada para a otimização, análise, desenvolvimento e validação final do processo. Pode ser instalada nas instalações do cliente e operada continuamente com a corrente de processo real, fornecendo dados mais representativos sobre desempenho, consumo de energia e qualidade do produto.

A partir daí, a tecnologia pode ser dimensionada para escala comercial através das configurações Plant e Plant XL. Estas são as versões industriais destinadas à implantação em grande escala.

A escolha entre as configurações depende da aplicação. Para células de três compartimentos, a De Nora utiliza normalmente a configuração Plant, em parte devido às atuais limitações no tamanho das membranas de troca aniônica disponíveis no mercado. Para células de dois compartimentos, a configuração Plant XL pode ser utilizada sempre que possível, uma vez que a sua área ativa maior pode melhorar o desempenho económico em escala.

Sponchiado descreve a lógica deste percurso como uma forma de reduzir o risco de aumento de escala: «Podemos acompanhar o cliente desde os ensaios laboratoriais até à instalação industrial. A célula intermédia é fundamental porque pode funcionar continuamente com a salmoura real do cliente, e os resultados são depois utilizados para aumentar a escala para células industriais.»

Este percurso estruturado de aumento de escala é particularmente importante em aplicações de lítio, onde diferentes matérias-primas e perfis de impurezas podem afetar o desempenho do processo.

À medida que os processos eletroquímicos são ampliados, o consumo de energia torna-se uma variável fundamental. Isto é especialmente verdadeiro em regiões onde os preços da eletricidade são elevados.

Por este motivo, a De Nora pode propor uma opção tecnológica adicional: o Cátodo Despolarizado por Oxigénio, ou ODC. Esta tecnologia permite reduzir a tensão da célula e, consequentemente, diminuir o consumo específico de energia do processo.

Ao mesmo tempo, as aplicações de lítio da De Nora estão a passar da fase de desenvolvimento para a implementação industrial. Projetos públicos e confidenciais demonstram como a tecnologia pode ser aplicada tanto ao processamento de lítio primário como à recuperação a partir de baterias de iões de lítio usadas.

In a conventional configuration, hydrogen is produced at the cathode. In some industrial sites, this hydrogen may not have a direct use. If it cannot be valorised, it becomes a stream that needs to be managed.

ODC offers an alternative. Instead of producing hydrogen at the cathode, the cell is designed to consume oxygen. This changes the cathodic reaction and reduces the cell voltage. Since energy consumption is directly linked to cell voltage, this can significantly reduce the specific energy required by the process.

De Nora’s internal material compares a cathode evolving hydrogen with a gas-diffusion electrode consuming oxygen. The ODC configuration reduces the energy requirement in the reference case shown, making it especially relevant where electricity cost is a major factor.

Sponchiado explains the principle in practical terms: “Instead of evolving hydrogen at the cathode, reduce oxygen. The consequence is that the cell voltage drops by around 0.7 to 0.8 volts, and therefore the specific energy consumption decreases substantially.”

A tecnologia de separação de lítio e sal da De Nora já está a ser aplicada em projetos industriais.

Um exemplo público é a Mangrove Lithium, um fornecedor de tecnologia que desenvolveu um processo eletroquímico patenteado para converter lítio proveniente tanto da mineração como da reciclagem de baterias usadas em hidróxido de lítio de alta qualidade para baterias. A De Nora Japan fornece o eletrolisador em pilha, que constitui o núcleo da plataforma de refinação eletroquímica de lítio da Mangrove. A aplicação abrange a conversão de LiCl/Li₂SO₄ em LiOH·H₂O, com uma capacidade declarada de 1 000 toneladas por ano e o arranque previsto para 2026.

Outro caso público é a Tuleva, uma empresa norte-americana ativa na produção sustentável de materiais para energia limpa. A De Nora fornecerá uma unidade completa composta por dois sistemas de eletrólise bipolar com membranas de troca iônica. A unidade, a ser construída no Arkansas, foi concebida para uma capacidade total de 11 000 toneladas por ano de LiOH·H₂O, com a execução prevista para 2026/27 e o arranque em 2028.

Estes projetos demonstram como a Enso pode apoiar a transição do desenvolvimento de processos para a implantação comercial.