Lithium-batterier bruges til at lagre energi i elektriske køretøjer, et marked med stor plads til ekspansion i Brasilien
Brasilien kan snart blive medlem af gruppen af lande, der fremstiller batterier til elektrisk mobilitet, et segment ledet af Kina, USA, Japan og Sydkorea. Mindst fire initiativer, der involverer nationale virksomheder i samarbejde med udenlandske virksomheder, er i gang i land til dette formål. I de fleste af dem blev eller udvikles batteriteknologien af den internationale partner.
Et af projekterne ledes af Minas Gerais Development Company (Codemge), der lukkede en aftale i 2018 med det engelske firma Oxis Energy om at udgøre det første anlæg i industriel skala med lithium-svovl battericeller (Li-S) i verden. verden. Ifølge Oxis har teknologien højere ydelse og sikkerhed end lithium-ion-batterier, den vigtigste løsning, der leverer markedet for elbiler.
Den traditionelle batteriproducent Moura, udvikleren af brændselscellesystemer Electrocell og et konsortium, der forener minearbejdere fra det brasilianske metallurgi og minedrift (CBMM) og japanerne fra Toshiba, planlægger også at etablere sig i dette segment.
I første omgang vil målet for Oxis Brasil, en virksomhed, der er resultatet af partnerskabet mellem Codemge og Oxis Energy, være segmentet af tunge køretøjer, såsom busser og lastbiler, og forsvars- og rumfartsindustrien med applikationer i droner, satellitter og elektriske lodrette start- og landingsbiler (eVTOL).
Planlagt til at blive bygget i Nova Lima, i hovedstadsregionen Belo Horizonte, med en investering på 56 millioner dollars, skulle fabrikken begynde at køre i 2022 med en årlig produktion på 300 tusind battericeller. I det andet år forventes det at nå 1,2 millioner enheder, halvdelen af den samlede forventede kapacitet. Strukturen forudser allerede en fremtidig udvidelse, som vil muliggøre den årlige produktion af 4,8 millioner celler.
Et køretøjsbatteri er faktisk et sæt små batterier (kaldet celler), som er integreret og danner en pakke og administreres af en software kaldet BMS (Battery Management System). For hver applikation er en specifik pakke af celler designet med serie- og parallelforbindelser.
Et batteri til busser kræver for eksempel omkring 10.000 celler. Rodrigo Mesquita, leder af Codemges New Business-enhed, oplyser, at fabrikken ikke vil dedikere sig til at producere batterierne. Denne funktion udføres af virksomheder, der integrerer BMS-celler og -systemer.
Dette års Nobelpris i kemi blev givet til tre forskere, der gennemførte forskning relateret til lithiumbatterier”Vi er i færd med at definere de partnere, der skal foretage denne integration. Vi håber at tiltrække nogle af dem til Brasilien, ”siger han. Integratorerne skal udpeges af fremtidige batterikunder. Blandt de virksomheder, der allerede har udtrykt interesse for udstyret, er den brasilianske Embraer, den nordamerikanske Boeing og Lockheed Martin, det europæiske konsortium Airbus og den tyske Mercedes-Benz og Porsche.
Lithium-svovl-battericelle-teknologien blev udviklet af Oxis Energy. Codemge investerede sidste år gennem Aerotec-investeringsfonden, oprettet af den, 18,6 millioner dollars til en 12% -andel i Oxis Energy og bragte industriprojektet til Brasilien for at fortætte produktionskæden i lithium i Minas Gerais. Regionen Vale do Jequitinhonha i den nordøstlige del af staten skiller sig ud med potentialet til at positionere sig som en stor producent af malm.
Oxis Brasil vil være den første fabrik i kommerciel skala med lithium-svovlbatterier på planeten. Teknologien er under udvikling i flere forskningscentre rundt om i verden. I Japan arbejder Sony på at skabe smartphone-batterier med materialerne, mens Sion Power Corporation i USA udvikler lithium-svovl køretøjsbatterier. Dette er også målet med Alise-projektet, et europæisk konsortium dannet af 16 virksomheder, som Oxis Energy er en del af, hvis fokus er udvikling af nye materialer og forståelse af de elektrokemiske processer involveret i svovl- og lithiumteknologi.
I 2018 producerede Brasilien kun 600 tons (t) lithium, et volumen svarende til ca. 0,7% af det globale marked. Den brasilianske produktion blev udført af Companhia Brasileira de Lítio (CBL), et selskab hvor Codemge har kapitalandele. Den geologiske undersøgelse af Brasilien anslår, at nationale reserver, koncentreret i Jequitinhonha-dalen, tegner sig for 8% af malmen i verden, på omkring 14 millioner tons. Australien og Chile er de største globale producenter af lithium med henholdsvis 51 tusind t og 16 tusind t.
Lithium er et let metal med en høj energitæthed, det vil sige, det er i stand til at koncentrere mere energi på et mindre rum sammenlignet med nikkel-cadmium-batterier, der blev brugt i de første mobiltelefoner og notesbøger eller det konventionelle blysyrebiler, der blev brugt til start forbrændingsmotoren (se Pesquisa FAPESP nr. 258).
De fleste lithium-ion-batterier er bygget med en kombination, hvor anoden (negativ pol) er lavet af grafitkulstof, mens katoden (positiv pol) består af lithiumoxid og en metalblanding, der inkluderer nikkel, mangan og kobolt. Elektrolytten (mediet, gennem hvilket ionatomer bevæger sig mellem polerne), er en blanding af organiske opløsningsmidler og lithiumsalte.
Valdirene Peressinotto, koordinator for forskning, udvikling og innovation (RD&I) projekter hos Codemge, forklarer, at på grund af de anvendte materialer og produktionsprocessen giver denne kombination af materialer sikkerhedsproblemer, når de udsættes for stressende situationer, såsom opvarmning ovenfor 45 oC, kortslutning og boring, en risiko, der findes i tilfælde af en køretøjskollision.
Batteriløsningen skabt af Oxis Energy sørger for brugen af metallisk lithium ved anoden, der erstatter grafitkulstof og en kombination af svovl og kulstof ved katoden. Virksomheden udviklede sin egen teknologi til katoden og elektrolytten. De udførte test indikerer, at disse nye batterier er sikre, fungerer normalt ved temperaturer fra minus 60 oC til positive 80 oC og eksploderer ikke, når de punkteres eller i kortslutningstilstand.
Ud over driftssikkerheden er en anden fordel ved lithium-svovlbatterier energitæthed. Mens lithiumionkoncentrater maksimalt har 240 watt-time pr. Kilo (Wh / kg), gemmer lithium-svovl 450 Wh / kg. I praksis gør det det muligt at bygge mindre, lettere batterier, der giver større autonomi til køretøjer.
En vigtig kendsgerning, bemærker Peressinotto, er, at lithium-ion-batterier allerede er tæt på deres teoretiske effektivitetsgrænse, mens lithium-svovl-batterier stadig har potentiale for udvikling i forhold til energitæthed. ”Oxis forventer at nå en tæthed på 550 Wh / kg allerede i 2020”, oplyser Codemges RD&I koordinator.
Hovedkvarter i Araxá (MG) er CBMM den største globale producent af niob (se Pesquisa FAPESP nr. 277). I 2018 samarbejdede det med Toshiba Corporation om at oprette et nyt lithiumbatteri. Forslaget fra Toshibas F & U-afdeling er at erstatte kulstofanoden med blandede oxider af niob og titanium (NTO), idet den traditionelle konfiguration af en lithium- og metallegering ved katoden opretholdes.
Ifølge Rogério Marques Ribas, administrerende direktør for batterier hos CBMM, mens kulstofanoden reagerer på lithium og genererer strukturel stress, såsom en volumenforøgelse på 13% under genopladning, har NTO en anden adfærd. "Denne forskel giver mulighed for større kraft og hurtigere genopladning", fremhæver han.
Sammenligning af to batterier med samme energiladning, mens det tager fire timer at genoplade lithium-ion-versionen, har NTO-versionen kun brug for 10 minutter. NTO-batteriet har også holdbarhed til brug i køretøjer over 15 år, mens grænsen, der allerede er opnået i lithium-ion-batterier, er fem til ti år. En anden fordel er, at NTO-anoden giver mere sikkerhed i spændingssituationer på grund af opvarmning eller boring.
Partnerskabet mellem CBMM og Toshiba forudsiger, at hver af virksomhederne vil investere 7,2 millioner dollars i et pilotanlæg, der opføres i Yokohama, Japan, og vil producere de første enheder til test inden for to år. ”Vores forventning er at få teknologien godkendt af kunderne i 2021, hvilket vil være garantien for opførelsen af en produktionslinje i industriel skala”, siger Ribas.
Ifølge ham gennemføres et andet projekt til brug af niob i batterier af den nordamerikanske Wildcat Discovery Technologies i San Diego, Californien. CBMM er også en partner i projektet, hvis mål er brugen af niob i katoden. Projektet er i et tidligt udviklingsstadium.
Søgen efter bedre ydeevne inden for genopladelige batterier til elbiler afspejler en verdensomspændende indsats, der begyndte for nogle årtier siden. Annonceret af Det Kongelige Svenske Videnskabsakademi i oktober blev Nobelprisen i kemi 2019 tildelt den amerikanske matematiker og fysiker John Bannister Goodenough, den britiske kemiker M. Stanley Whittingham og den japanske kemiker Akira Yoshino for de undersøgelser, de gennemførte gennem årene 1970 og 1980, og det førte til udvikling og kommerciel produktion af moderne lithium-ion-batterier.
Ifølge Global EV Outlook 2019-rapporten, der blev offentliggjort af International Energy Agency (IEA), involverer det vigtigste arbejde i dag ændringer i batteriets kemiske egenskaber, såsom katoder konstrueret med lithiumoxid og en metallisk sammensætning dannet med 80% af nikkel, 10% mangan og 10% kobolt, i modsætning til de nuværende, som har en lige stor andel af de tre metaller.
En anden udviklingslinje er lithiumkatoder med nikkel, cobalt og aluminiumoxid, en opløsning, der kun bruges i små batterier. Det mest studerede materiale til anodeanvendelse er silicium-grafit-kompositten. Bilindustrien forventer betydelige fremskridt med at øge energitætheden og reducere omkostningerne inden 2025.
Den globale flåde af elbiler (ren og hybrid) overgik 5,1 millioner køretøjer i 2018, og busflåden nåede 460.000 enheder ifølge IEA. Forventningen til 2030 inkluderer scenarier, hvor bilparken vil variere fra 130 millioner til 250 millioner. I Brasilien nåede antallet af elektriske og hybridbiler 10.600 enheder i 2018 ifølge data fra National Association of Motor Vehicle Manufacturers (Anfavea). Der er ingen fremskrivninger for det brasilianske marked, men forventningen om at udvide den nationale flåde motiverer virksomheder til at producere lithium-ion-batterier lokalt.
Grupo Moura, en traditionel producent af blybatterier til køretøjer, har etableret en F & U-enhed med lithiumbatteri i hovedkvarteret i Belo Jardim (PE). Stadig i 2019 kommer en første version til gaffeltrucks på markedet. Virksomheden indgik også et partnerskab med det amerikanske selskab Xalt Energy, der ejer batteriteknologi til tunge køretøjer, med det formål i første omgang at betjene busmarkedet. En kontrakt blev underskrevet med São Paulo-producenten Eletra (se Pesquisa FAPESP nr. 283).
Fernando Castelão, direktør for Lítio da Moura Division, oplyser, at virksomheden vil tilpasse Xalt-batterier til brugsbetingelserne i Brasilien. En ny Moura-fabrik åbnet i 2018 er designet til at producere varen. Ifølge Castelão kræver lithium-ion-batterier særlige sikkerhedsforanstaltninger for at sikre tilstrækkelig tætning og beskyttelse i forbindelse med kontakt med vand. De har også brug for et kølesystem for at opretholde den korrekte temperatur. "Køretøjer i Brasilien udsættes for klimatiske forhold, der adskiller sig fra dem i landene i Norden", fremhæver udøvende direktør.
I São Paulo har Electrocell, et firma, der er beliggende i Center for Innovation, Entrepreneurship and Technology (Cietec) ved University of São Paulo (USP), arbejdet med udvikling af lithium-ion-batterier til køretøjer siden 2007, teknologi, der stammer fra et projekt relateret til brændselsceller understøttet af FAPESPs Pipe-program. Virksomheden indgik et partnerskab med Brasil VE Superleves, en national bilproducent af køretøjer med superkompakt chassis installeret i Parque Empresarial Anhanguera, i Cajamar (SP), med en prognose om at starte sin industrielle aktivitet i december. Målet er at producere mellem 40 og 200 enheder pr. Måned mellem personbiler med to og fire sæder, minibiler og busser med 12 og 24 sæder.
Kemisk ingeniør, der er specialiseret i fremstilling af lithiumbatterier i Tyskland, påpeger direktøren for Electrocell Gerhard Ett, at virksomheden oprindeligt vil importere cellerne og integrere lithiumbatterier i landet. Den første batch kommer fra Tyskland, men virksomheden har også kommercielle kontakter i Kina, USA og Sydkorea. ”Vores mål er at udføre al produktion lokalt. Vi har allerede den nødvendige tekniske viden og har mestret fremstillingsprocessen. Vi har bare brug for skala for at starte produktionen ”, siger Ett, som også er professor ved Centro Universitário FEI, i São Bernardo do Campo (SP).
For maskiningeniør Paulo Henrique de Mello Sant'Ana, fra Center for Engineering, Modelling and Applied Social Sciences ved Federal University of ABC (Cecs-UFABC), vil batteriproduktionens domæne være strategisk i en fremtid med elektrisk mobilitet. Ifølge ham er det vigtigt for Brasilien at positionere sig som en teknologiudvikler og ikke kun en køber af færdige produkter. "Vi ved stadig ikke, om initiativer som CBMM og Toshiba eller Codemge med Oxis vil have økonomisk levedygtighed og kapacitet til at øge ydeevnen for nuværende lithiumbatterier, men det er fremragende, at brasilianere er involveret i udviklingsprocessen", siger han.
Projekter
- Udvikling af injicerede grafitkompositter anvendt i kemiske processer (nº 04 / 09113-3); Modality Innovativ forskning i små virksomheder (Pipe); Ansvarlig forsker Volkmar Ett (Electrocell); Investering R $ 601.848,93.
- Udvikling og konstruktion af en halvautomatisk samlebånd til brændselsceller (nº 04 / 13975-0); Modality Innovativ forskning i små virksomheder (Pipe); Finep Pipe-Pappe-aftale; Ansvarlig forsker Gerhard Ett (Electrocell); Investering R $ 433.815,72.
- Udvikling af brændselsceller integreret med software og hardware til overvågning, diagnose, kontrol og perifert udstyr (nr. 00 / 13120-4); Modality Innovativ forskning i små virksomheder (Pipe); Ansvarlig forsker Gerhard Ett (Electrocell); Investering R $ 352.705,02.
