Procesarea deșeurilor de baterii și transformarea lor în oxizi tranziționali cu entropie înaltă pentru bateriile de nouă generație, pe bază de Li-ion

Creat in data de: 2024-12-03 Distribuie:

Proiect ERANET – ERAMIN-3 – HETMOLION – contract nr. 7 /2024
Sursa de finanțare: Proiect finanțat de Unitatea Executivă pentru Finanțarea Învățământului Superior, a Cercetării, Dezvoltării și Inovării (UEFISCDI) prin Programul 5.8. – Cooperare europeană și internațională.

Obiectivul proiectului

Proiectul HETMOLION are ca scop dezvoltarea unor materiale noi, cu potențial de utilizare ca anozi în bateriile de tip Li-ion durabile și care se integrează în conceptul „safe – by – design”. Noile materiale se bazează pe un concept nou de oxizi cu entropie înaltă ai metalelor tranziționale (HETMO) și conțin elemente metalice, din care minim 80% provin din procesarea bateriilor uzate, reducând astfel la minim necesitatea utilizării materiilor prime și depozitele de deșeuri urbane.
După optimizare, gradul de utilizare al materialelor va fi demonstrat prin realizarea prototipurilor de baterii Li-ion.
Întreaga idee a proiectului urmărește abordarea conceptului economiei circulare, care va fi demonstrată prin aplicarea unor instrumente de evaluare a ciclului de viață. Astfel, abordarea generală poate fi rezumată ca dezvoltarea unui concept de material inovator, care să fie competitiv atât din punct de vedere al proprietăților operaționale, cât și al cerințele legate de sustenabilitate și circularitate.

Consorțiu

Rețeaua de Cercetare Lukasiewicz – Institutul de Metale Neferoase, Polonia – coordonator;
INEGI – Institutul de Știință și Inovare în Inginerie Mecanică și Industrială, Portugalia;
Universitatea din Witwatersrand, Africa de Sud;
Institutul National de Cercetare-Dezvoltare pentru Metale Neferoase și Rare – IMNR, Romania;
ENERIS B&R Sp. z.o.o, Polonia

Obiective

Dezvoltarea infrastructurii la nivel de laborator, în vederea transformării „masei negre” din bateriile uzate în produse metalice noi;
Determinarea compozițiilor optime de HETMO, prin utilizarea unor instrumente de modelare specifice;
Transformarea metalelor în precursori corespunzători pentru a fi utilizați în sintezele HETMO;
Sinteza și caracterizarea structurală a materialelor de tip HETMO din fază lichidă, obținute prin tehnica pirolizei prin pulverizare;
Sinteza și caracterizarea structurală a materialelor HETMO obținute prin reacție în stare solidă;
Investigații electrochimice și electroanalitice avansate ale HETMO, pentru a identifica potențialul de utilizare ca materiale anodice în bateriile de tip Li -ion;
Proiectarea, fabricarea și testarea celulelor prototip ale bateriilor Li-ion de tip „pouch” până la nivelul TRL 5, în vederea demonstrării utilității practice a materialelor sintetizate;
Demonstrarea circularității, a viabilității ecologice și economice a fluxului valoric propus.

Director de proiect: Dr. Ing. Beatrice Șerban

Valoarea proiectului:

Participant	Budget alocat pe an [Lei]			Total [Lei]
Participant	2024	2025	2026	Total [Lei]
P4/IMNR	400.000	400.000	200.000	1.000.000

Durata implementării: 15 martie 2024 – 31 decembrie 2026

Rezultatele preconizate ale proiectului:

Etapa I 2024

Specificații tehnice necesare materialelor obținute în urma procesării „masei negre”;
Cerințe de material necesare obținerii materialelor anodice;
Analiza datelor tehnice privind fabricarea anozilor pentru bateriile pe bază de Li-on;
Analiza și selecția sistemelor de oxizi tranziționali cu entropie înaltă cu proprietăți predefinite;
Determinarea, sinteza și caracterizarea eșantioanelor preliminare ale oxizilor tranziționali cu entropie înaltă.

Etapa II 2025

Obținere oxizi tranziționali cu entropie înaltă prin sinteză de combustie;
Obținere oxizi tranziționali cu entropie înaltă prin topire în câmp inductiv;
Determinarea proprietăților fizico-chimice ale materialelor nou sintetizate, prin utilizarea unor tehnici de caracterizare specifice;
Evaluarea caracteristicilor chimice și morfologice ale suprafeței materialelor de electrod.

Etapa III 2026

Optimizarea proceselor de fabricare a materialelor anodice și a specificațiilor celule;
Evaluarea ciclului de viață.

REZULTATE – ETAPA I 2024

Activități

Act. 1.1 – Proiectarea instalației de laborator pentru procesarea „masei negre”.
Act. 1.2 – Stabilirea cerințelor de material pentru materialele anodice
Act. 1.3 – Analiza datelor tehnice privind fabricarea anozilor pentru bateriile pe bază de Li – ion
Act. 1.4 – Analiza și selecția sistemelor de oxizi tranziționali cu entropie înaltă cu proprietăți predefinite
Act. 1.5 – Compoziții, sinteză și caracterizare eșantioane preliminare oxizi tranziționali cu entropie înaltă
Act. 1.6 – Diseminare

Obiectivele corespunzătoare etapei I a proiectului au fost realizate în totalitate.

Stabilirea specificațiilor tehnice necesare materialelor obținute în urma procesării „masei negre” a constat în identificarea principalelor metode de sinteză a materialelor anodice, optimizarea fluxurilor tehnologice și determinarea principalelor tipuri de materii prime aferente acestor procese;
Pentru a aduce un aport semnificativ la fabricarea materialelor anodice cu performanțe îmbunătățite, se are ca scop obținerea unor noi materiale oxidice cu entropie înaltă, pe baza oxizilor tranziționali, utilizând ca materii prime produse provenind din procese anterioare de reciclare;
Au fost selectate metodele de obținere ale materialelor cu potențial de utilizate ca anod în bateriile Li – ion. Acestea sunt sinteza prin combustie, prin intermediul căreia se obțin materiale oxidice și utilizarea câmpului inductiv pentru a elabora aliaje cu entropie înaltă, care ulterior sunt supuse unui proces de oxidare;
În vederea obținerii unor proprietăți superioare ale materialelor oxidice, care să le facă potrivite pentru utilizarea ca anozi, au fost luate în calcul anumite elemente care aduc un aport semnificativ în cazul oxizilor cu entropie înaltă.
În cazul sintezei de combustie, se are în vedere simularea reacțiilor chimice, calcularea echilibrelor și proprietăților termodinamice, incluzând entalpia, entropia, sau energia liberă Gibbs, simulări cinetice, precum și randamentul reacțiilor chimice; au fost selectate două compoziții oxidice.
În ceea ce privește cea de-a doua metodă de obținere a materialelor oxidice, care implică elaborarea inițială a unor aliaje cu entropie înaltă, s-a avut în vedere calculul criteriilor termodinamice și cinetice, precum și analiza diagramelor de fază, utilizarea unei tehnici de modelare prin învățare automată, precum și realizarea unor optimizări; a fost selectată o compoziție HEA.
Cele trei compoziții selectate au fost obținute experimental și, ulterior, caracterizate din punct de vedere fizico – chimic și structural.
În cazul compozițiilor sintetizate prin combustie, acestea prezintă acestea prezintă faze specifice structurii oxidice de tip spinel, prezintă o simetrie cubică ridicată și o granulație fină.
În cazul compoziției de aliaj cu entropie înaltă, s-a observat prezența unor faze secundare și a unei microstructuri compuse din două tipuri de dendrite și două faze interdentritice. În fazele dendritice domină elementele precum Fe, Co și Cu ceea ce sugerează faze bogate în metale de tranziție, în timp ce fazele interdendritice sunt compuse precum Cu și Mn, cu afinitate redusă pentru dendrite.

Fig. X1. Rezultate antrenare seturi de date pentru 10 criterii. a) Performanța, b) Starea procesului de antrenare

REZULTATE – ETAPA II 2025

Activități

a) Obținere oxizi tranziționali cu entropie înaltă prin sinteză de combustie;
b) Obținere oxizi tranziționali cu entropie înaltă prin topire în câmp inductiv;
c) Determinarea proprietăților fizico-chimice ale materialelor nou sintetizate, prin utilizarea unor tehnici de caracterizare specifice;
d) Evaluarea caracteristicilor chimice și morfologice ale suprafeței materialelor de electrod.

Obiectivele corespunzătoare etapei II a proiectului au fost realizate în totalitate.
• Dezvoltarea de noi HETMO cu potențial de utilizare ca anod în bateriile pe bază de Li – ion s-a realizat prin utilizarea a două metode distincte: sinteza de combustie și măcinarea, urmată de oxidarea aliajelor cu entropie înaltă obținute în câmp inductiv;
• Selectarea celor mai potrivite compoziții a fost realizată prin modelare care permite predicția viitoarelor compoziții în contextul menținerii unui impact ecologic redus, în timp ce încurajează circularitatea economică;
• Compozițiile selectate au fost obținute pe cale experimentală, unde în cazul utilizării glicinei și dextrozei s-au obținut cele mai bune rezultate (structurile oxidice sunt bine definite și au potențial ridicat pentru a fi utilizate în bateriile Li – ion), urmate de uree și acidul citric;
• Simularea criteriilor termodinamice și cinetice, aplicate în vederea elaborării aliajelor cu entropie înaltă în câmp inductiv a contribuit la selecția a două compoziții distincte care au fost elaborate și ulterior măcinate și oxidate, pentru a obține un material oxidic cu potential de utilizare ca anod în bateriile Li – ion. Au fost luate în calcul două granulații distincte, pentru a evalua influența dimensiunii particulelor asupra potențialului de oxidare și rolul tratamentului termic în obținerea structurii dorite;
• Pentru granulația mai mică a primei probe, tratamentul termic de omogenizare aplicat după elaborare a oferit cele mai bune rezultate în ceea ce privește eficiența reacției de oxidare și obținerea unei structuri adecvate pentru aplicația dorită. Pentru granulația mai mare s-au obținut rezultate satisfăcătoare privind oxidarea, faza majoritară fiind reprezentată de un spinei cubic, dar s-a detectat și o fracțiune reziduală de soluție solidă metalică, datorată prezenței unor faze intermetalice stabile la oxidare;
• În cazul celei de a doua probe de material au fost înregistrate performanțe asemănătoare independent de dimensiunea particulelor. Totuși, pulberea rezultată în urma procesului de elaborare prin topire – turnare a prezentat un grad de oxidare mai ridicat, confirmat prin prezența unei faze dominante de tip spinel.

Fig. X2. Imagini SEM ale aceluiași oxid obținut prin utilizarea mai multor combustibili: a) glicină; b) uree; c) dextroză; d) acid citric.
a) Performanța, b) Starea procesului de antrenare

Fig. X3. Analiza SEM a morfologiei particulelor de aliaj după topirea în inducție și procesare prin: a) măcinare; b) tratament termic urmat de măcinare.
a) Performanța, b) Starea procesului de antrenare

Articole Științifice

Dumitru Mitrica, Laurentiu-Florin Mosinoiu, Arcadii Sobetkii, Stefania Caramarin, Alexandru-Cristian Matei, Laura-Madalina Cursaru, Ioan-Albert Tudor, Beatrice-Adriana Serban, Mihai Ghita, Nicoleta Vitan, Cosmin Romanitan, Elena Olaret, Bogdan Postolnyi, Alexander Pogrebnjak, „SELECTED HIGH-ENTROPY ALLOYS FOR THIN FILM DEPOSITION, WITH IMPROVED MECHANICAL AND CORROSION PROPERTIES”, Scientific Reports, 15, 37712 (2025). https://doi.org/10.1038/s41598-025-21558-6

Conferințe

1. Beatrice-Adriana Șerban, Ioana-Cristina Badea, Ioana Anasiei, Sabina-Andreea Fironda, Laurențiu Moșinoiu, Dumitru Mitrică, Ștefania Caramarin, „DEVELOPING NEW MATERIALS WITH ENHANCED PROPERTIES FOR LI – ION BATTERIES”, NeXT-ChemVII INNOVATIVE CROSS-SECTORAL TECHNOLOGIES, 22–23.05.2025, București, România
2. Beatrice-Adriana Șerban, Ioana-Cristina Badea, Ioana Anasiei, Mihai Tudor Olaru, Mitrică Dumitru, Ana Maria Mocioiu, “FROM FOSSIL FUELS TO LI – ION BATTERIES: NEW TRENDS IN DEVELOPING ANODE MATERIALS”, 8th International Conference of Emerging Technologies in Materials Engineering, EmergeMat, 6-7.10.2025, București, România
3. Ioana Anasiei, Beatrice-Adriana Șerban, Ioana-Cristina Badea, Sabina Andreea Fironda, Mihai Tudor Olaru, Marian Burada, Elena Bacalum, Cristian Alexandru Matei, Ghita Mihai, “RESTORING LITHIUM STOICHIOMETRY IN A LAYERED NCM CATHODE MATERIAL VIA RELITHIATION”, 8th International Conference of Emerging Technologies in Materials Engineering, EmergeMat, 6-7.10.2025, București, România
4. Ioana Anasiei, Beatrice Adriana Șerban, Ioana-Cristina Badea, Sabina Andreea Fironda, Mihai Tudor Olaru, Marian Burada, Cristian Alexandru Matei, Elena Bacalum, „A NEW STEP TOWARDS Li-ION BATTERY INNOVATION: NEW HIGH-ENTROPY OXIDE MATERIAL COMPOSITIONS FOR ACTIVE CATHODE MATERIALS”, UGAL INVENT, 23-24.10.2025, Galați, România.
5. Anasiei Ioana, Beatrice-Adriana Șerban, Ioana-Cristina Badea, Sabina Andreea Fironda, Mihai Tudor Olaru, Marian Burada, Cristian Alexandru Matei, Elena Bacalum, „TAILORING NOVEL CATHODE MATERIALS WITH HIGH POTENTIAL TO COMBINE PERFORMANCE WITH REDUCED CONTENT OF CRITICAL RAW MATERIALS”, The 4th International Online Conference on Materials, 3-6.11.2025, online

Premii

Medalia de aur – Ioana Anasiei, Beatrice Adriana Șerban, Ioana-Cristina Badea, Sabina Andreea Fironda, Mihai Tudor Olaru, Marian Burada, Cristian Alexandru Matei, Elena Bacalum, „A NEW STEP TOWARDS Li-ION BATTERY INNOVATION: NEW HIGH-ENTROPY OXIDE MATERIAL COMPOSITIONS FOR ACTIVE CATHODE MATERIALS”, UGAL INVENT Salonul Inovării și Cercetării 2025
Certificat de apreciere Asociația Justin Capră – Ioana Anasiei, Beatrice Adriana Șerban, Ioana-Cristina Badea, Sabina Andreea Fironda, Mihai Tudor Olaru, Marian Burada, Cristian Alexandru Matei, Elena Bacalum, „A NEW STEP TOWARDS Li-ION BATTERY INNOVATION: NEW HIGH-ENTROPY OXIDE MATERIAL COMPOSITIONS FOR ACTIVE CATHODE MATERIALS”, UGAL INVENT Salonul Inovării și Cercetării 2025

Evenimente

15 Martie 2024 – Inceperea proiectului HETMOLION

Contact Proiect: Dr. Ing. Beatrice -Adriana Șerban
Email: beatrice.carlan@imnr.ro
Telefon: +4 021 3522046/int127
Adresă: B-dul Biruinței 178-184, Pantelimon, Ilfov, Romania

ANELIS PLUS 2020

Gândit în ROMÂNIA

Cluster ROHEALTH

Cluster MHTC Măgurele

Pasionat de Cercetare? Angajăm.

Absolvenți în Chimie, Inginerie și tehnologie chimică, Stiința și Ingineria Materialelor, Fizică, Mecanică și mecatronică