Baterie litowe są używane do magazynowania energii w pojazdach elektrycznych, na rynku z dużymi możliwościami ekspansji w Brazylii
Brazylia może wkrótce dołączyć do grona krajów produkujących akumulatory do mobilności elektrycznej, segmentu kierowanego przez Chiny, Stany Zjednoczone, Japonię i Koreę Południową. Co najmniej cztery inicjatywy, angażujące krajowe firmy we współpracy z zagranicznymi, są w toku. kraju do tego celu. W większości z nich technologia akumulatorów była lub jest rozwijana przez międzynarodowego partnera.
Na czele jednego z projektów stoi Minas Gerais Development Company (Codemge), która w 2018 roku zawarła umowę z angielską firmą Oxis Energy na utworzenie pierwszej na świecie fabryki ogniw litowo-siarkowych (Li-S) na skalę przemysłową. świat. Technologia ta, zdaniem Oxisa, ma wyższą wydajność i bezpieczeństwo niż akumulatory litowo-jonowe, główne rozwiązanie zaopatrujące rynek pojazdów elektrycznych.
Tradycyjny producent akumulatorów Moura, twórca systemów ogniw paliwowych Electrocell oraz konsorcjum zrzeszające górników brazylijskiej firmy metalurgicznej i wydobywczej (CBMM) oraz Japończyków z Toshiby również planują zaistnieć w tym segmencie.
Początkowo celem Oxis Brasil, będącego efektem partnerstwa Codemge i Oxis Energy, będzie segment pojazdów ciężkich, takich jak autobusy i ciężarówki oraz przemysł obronny i lotniczy, z zastosowaniami w dronach, satelitach i elektryczne pojazdy do pionowego startu i lądowania (eVTOL).
Planowana do wybudowania w Nova Lima, w regionie metropolitalnym Belo Horizonte, z inwestycją 56 mln USD, fabryka ma zacząć działać w 2022 r. Z roczną produkcją 300 tys. Ogniw akumulatorowych. W drugim roku oczekuje się, że osiągnie 1,2 mln sztuk, czyli połowę całkowitej przewidywanej wydajności. Konstrukcja już przewiduje przyszłą rozbudowę, która pozwoli na roczną produkcję 4,8 mln ogniw.
Akumulator pojazdu to w rzeczywistości zestaw małych akumulatorów (zwanych ogniwami), które są zintegrowane, tworząc pakiet i zarządzane przez oprogramowanie o nazwie BMS (system zarządzania akumulatorami). Dla każdej aplikacji zaprojektowano specjalny pakiet ogniw z połączeniami szeregowymi i równoległymi.
Na przykład akumulator do autobusów wymaga około 10 000 ogniw. Rodrigo Mesquita, kierownik działu New Business w Codemge, informuje, że fabryka nie poświęci się produkcji akumulatorów. Funkcję tę będą pełnić firmy integrujące komórki i systemy BMS.
Tegoroczną Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii otrzymało trzech naukowców, którzy prowadzili badania związane z bateriami litowymi„Jesteśmy w trakcie definiowania partnerów, którzy dokonają tej integracji. Mamy nadzieję, że część z nich przyciągnie do Brazylii ”- mówi. Integratorzy muszą być wyznaczeni przez przyszłych klientów baterii. Wśród firm, które już wyraziły zainteresowanie wyposażeniem, są brazylijski Embraer, północnoamerykański Boeing i Lockheed Martin, europejskie konsorcjum Airbus oraz niemieckie Mercedes-Benz i Porsche.
Technologia ogniw akumulatorów litowo-siarkowych została opracowana przez firmę Oxis Energy. Codemge, za pośrednictwem utworzonego przez siebie funduszu inwestycyjnego Aerotec, zainwestował w zeszłym roku 18,6 mln R $ w 12% udziałów w Oxis Energy i przeniósł projekt przemysłowy do Brazylii w celu zagęszczenia łańcucha produkcyjnego lit w Minas Gerais. Region Vale do Jequitinhonha, w północno-wschodniej części stanu, wyróżnia się potencjałem, by stać się głównym producentem rudy.
Oxis Brasil będzie pierwszą na świecie fabryką baterii litowo-siarkowych na skalę komercyjną. Technologia jest rozwijana w kilku ośrodkach badawczych na całym świecie. W Japonii Sony pracuje nad stworzeniem baterii do smartfonów z tych materiałów, podczas gdy w Stanach Zjednoczonych Sion Power Corporation opracowuje akumulatory litowo-siarkowe do pojazdów. Taki jest również cel projektu Alise, europejskiego konsorcjum utworzonego przez 16 firm, w skład którego wchodzi Oxis Energy, zajmującego się opracowywaniem nowych materiałów i poznaniem procesów elektrochemicznych zachodzących w technologii siarki i litu.
W 2018 roku Brazylia wyprodukowała tylko 600 ton (t) litu, co odpowiada około 0,7% światowego rynku. Produkcja brazylijska była prowadzona przez Companhia Brasileira de Lítio (CBL), spółkę, w której Codemge ma udziały kapitałowe. Służba Geologiczna Brazylii szacuje, że rezerwy narodowe skoncentrowane w dolinie Jequitinhonha stanowią 8% rudy na świecie, czyli około 14 milionów ton. Australia i Chile to najwięksi światowi producenci litu, odpowiednio 51 tys. Ton i 16 tys. Ton.
Lit jest metalem lekkim o dużej gęstości energii, co oznacza, że jest w stanie skoncentrować więcej energii na mniejszej przestrzeni w porównaniu do akumulatorów niklowo-kadmowych używanych w pierwszych telefonach komórkowych i notebookach lub konwencjonalnych samochodach ołowiowo-kwasowych używanych do uruchomić silnik spalinowy (patrz Pesquisa FAPESP nr 258).
Większość akumulatorów litowo-jonowych jest zbudowana z połączenia, w którym anoda (biegun ujemny) jest wykonana z węgla grafitowego, a katoda (biegun dodatni) składa się z tlenku litu i mieszanki metali, w tym niklu, mangan i kobalt. Elektrolit (ośrodek, przez który przemieszczają się atomy jonów między biegunami) jest mieszaniną rozpuszczalników organicznych i soli litu.
Valdirene Peressinotto, koordynator projektów badawczo-rozwojowych i innowacyjnych (RD&I) w Codemge, wyjaśnia, że ze względu na zastosowane materiały i proces produkcji ta kombinacja materiałów stwarza problemy związane z bezpieczeństwem w sytuacjach stresowych, takich jak ogrzewanie powyżej 45 oC, zwarcie i wiercenie, ryzyko, które istnieje w przypadku zderzenia pojazdu.
Rozwiązanie akumulatorowe stworzone przez Oxis Energy zapewnia użycie metalicznego litu na anodzie, zastępując węgiel grafitowy oraz połączenie siarki i węgla na katodzie. Firma opracowała własną technologię katody i elektrolitu. Przeprowadzone testy wykazały, że te nowe baterie są bezpieczne, działają normalnie w temperaturach od ujemnych 60 oC do dodatnich 80 oC i nie wybuchają po przebiciu lub w stanie zwarcia.
Oprócz bezpieczeństwa pracy, kolejną zaletą akumulatorów litowo-siarkowych jest gęstość energii. Podczas gdy koncentraty litowo-jonowe mają maksymalnie 240 watogodzin na kilogram (Wh / kg), litowo-siarkowy magazynuje 450 Wh / kg. W praktyce umożliwia to budowanie mniejszych, lżejszych akumulatorów, które zapewniają większą autonomię pojazdom.
Jak zauważa Peressinotto, ważnym faktem jest to, że akumulatory litowo-jonowe są już bliskie swojej teoretycznej granicy wydajności, podczas gdy akumulatory litowo-siarkowe nadal mają potencjał do ewolucji w odniesieniu do gęstości energii. „Oxis spodziewa się osiągnąć gęstość 550 Wh / kg już w 2020 r.”, Informuje koordynator badań i innowacji w firmie Codemge.
CBMM z siedzibą w Araxá (MG) jest największym światowym producentem niobu (patrz Pesquisa FAPESP nr 277). W 2018 roku nawiązał współpracę z Toshiba Corporation, aby stworzyć nową baterię litową. Propozycja działu R&D firmy Toshiba polega na zastąpieniu anody węglowej mieszanymi tlenkami niobu i tytanu (NTO), przy zachowaniu tradycyjnej konfiguracji stopu litu i metalu na katodzie.
Według Rogério Marques Ribas, dyrektora wykonawczego akumulatorów w CBMM, podczas gdy anoda węglowa reaguje na lit i generuje naprężenia strukturalne, takie jak 13% wzrost objętości podczas ładowania, NTO zachowuje się inaczej. „Ta różnica pozwala na większą moc i większą szybkość ładowania” - podkreśla.
Porównując dwa akumulatory z tym samym ładowaniem energii, podczas gdy ładowanie wersji litowo-jonowej trwa cztery godziny, wersja NTO potrzebuje tylko 10 minut. Akumulator NTO ma również trwałość do użytku w pojazdach powyżej 15 lat, podczas gdy już uzyskany limit w akumulatorach litowo-jonowych wynosi od 5 do 10 lat. Kolejną zaletą jest to, że anoda NTO zapewnia większe bezpieczeństwo w sytuacjach stresowych spowodowanych nagrzewaniem lub wierceniem.
Partnerstwo pomiędzy CBMM i Toshibą przewiduje, że każda z firm zainwestuje 7,2 miliona dolarów w pilotażową fabrykę, która powstaje w Jokohamie w Japonii i wyprodukuje pierwsze jednostki do testów w ciągu dwóch lat. „Oczekujemy, że technologia zostanie zaakceptowana przez klientów w 2021 roku, co będzie gwarancją budowy linii produkcyjnej na skalę przemysłową” - mówi Ribas.
Według niego, kolejny projekt wykorzystania niobu w bateriach jest prowadzony przez North American Wildcat Discovery Technologies w San Diego w Kalifornii. CBMM jest również partnerem w projekcie, którego celem jest wykorzystanie niobu w katodzie. Projekt jest na wczesnym etapie realizacji.
Poszukiwanie lepszej wydajności akumulatorów do pojazdów elektrycznych odzwierciedla ogólnoświatowe wysiłki, które rozpoczęły się kilkadziesiąt lat temu. Ogłoszona przez Królewską Szwedzką Akademię Nauk w październiku, Nagroda Nobla w dziedzinie chemii w 2019 r. Została przyznana amerykańskiemu matematykowi i fizykowi Johnowi Bannisterowi Goodenoughowi, brytyjskiemu chemikowi M. Stanleyowi Whittinghamowi i japońskiemu chemikowi Akirze Yoshino za badania, które prowadzili przez lata. 1970 i 1980, co doprowadziło do rozwoju i komercyjnej produkcji nowoczesnych akumulatorów litowo-jonowych.
Zgodnie z raportem Global EV Outlook 2019 opublikowanym przez Międzynarodową Agencję Energetyczną (IEA), główne prace, które obecnie trwają, dotyczą zmian właściwości chemicznych akumulatorów, takich jak katody zbudowane z tlenku litu i metaliczny skład utworzony z 80% nikiel, 10% manganu i 10% kobaltu, w przeciwieństwie do obecnych, które mają równy udział trzech metali.
Innym kierunkiem rozwoju są katody litowe z niklem, kobaltem i tlenkiem glinu, roztwory stosowane tylko w małych bateriach. Najlepiej zbadanym materiałem do zastosowań anodowych jest kompozyt krzemowo-grafitowy. Przemysł samochodowy oczekuje znacznych postępów w zwiększaniu gęstości energii i redukcji kosztów do 2025 roku.
Według IEA globalna flota samochodów elektrycznych (czystych i hybrydowych) przekroczyła 5,1 miliona pojazdów w 2018 roku, a flota autobusów osiągnęła 460 000 sztuk. Oczekiwania na 2030 r. Obejmują scenariusze, w których flota samochodów będzie się wahać od 130 milionów do 250 milionów. W Brazylii liczba pojazdów elektrycznych i hybrydowych osiągnęła 10600 sztuk w 2018 roku, według danych National Association of Motor Vehicle Manufacturers (Anfavea). Nie ma prognoz dla rynku brazylijskiego, ale oczekiwanie na rozszerzenie krajowej floty motywuje firmy do lokalnej produkcji akumulatorów litowo-jonowych.
Grupo Moura, tradycyjny producent akumulatorów ołowiowo-kwasowych do pojazdów, założył jednostkę badawczo-rozwojową dotyczącą akumulatorów litowych w swojej siedzibie w Belo Jardim (PE). W 2019 roku na rynek pojawi się pierwsza wersja wózków widłowych. Firma nawiązała również współpracę z amerykańską firmą Xalt Energy, która jest właścicielem technologii akumulatorów do pojazdów ciężarowych, w celu obsługi w pierwszej chwili rynku autobusowego. Podpisano umowę z producentem z São Paulo, firmą Eletra (patrz Pesquisa FAPESP nr 283).
Fernando Castelão, dyrektor Lítio da Moura Division informuje, że firma dostosuje baterie Xalt do warunków użytkowania w Brazylii. Nowa fabryka Moura otwarta w 2018 roku jest przeznaczona do produkcji przedmiotu. Według Castelão akumulatory litowo-jonowe wymagają specjalnych środków ostrożności, aby zapewnić odpowiednie uszczelnienie i ochronę w kontakcie z wodą. Potrzebują również systemu chłodzenia, aby utrzymać odpowiednią temperaturę. „Samochody w Brazylii są poddawane innym warunkom klimatycznym niż w krajach północy”, podkreśla dyrektor.
W São Paulo Electrocell, firma mieszcząca się w Centrum Innowacji, Przedsiębiorczości i Technologii (Cietec) Uniwersytetu w São Paulo (USP), od 2007 roku pracuje nad rozwojem akumulatorów litowo-jonowych do pojazdów, technologii wywodzącej się z projektu związanego z ogniwami paliwowymi obsługiwane przez program Pipe firmy FAPESP. Firma nawiązała współpracę z Brasil VE Superleves, krajowym producentem pojazdów z superkompaktowym podwoziem zainstalowanym w Parque Empresarial Anhanguera, w Cajamar (SP), z prognozą rozpoczęcia działalności przemysłowej w grudniu. Celem jest wyprodukowanie od 40 do 200 sztuk miesięcznie, między samochodami osobowymi z dwoma i czterema miejscami, mini ciężarówkami i autobusami z 12 i 24 miejscami.
Inżynier chemik specjalizujący się w produkcji baterii litowych w Niemczech, dyrektor Electrocell Gerhard Ett zwraca uwagę, że początkowo firma będzie importować ogniwa i dokonywać integracji baterii litowych w kraju. Pierwsza partia będzie pochodzić z Niemiec, ale firma posiada również kontakty handlowe w Chinach, Stanach Zjednoczonych i Korei Południowej. „Naszym celem jest prowadzenie całej produkcji lokalnie. Posiadamy już niezbędną wiedzę techniczną i opanowaliśmy proces produkcji. Potrzebujemy tylko skali, aby rozpocząć produkcję ”- mówi Ett, który jest również profesorem na Centro Universitário FEI w São Bernardo do Campo (SP).
Dla inżyniera mechanika Paula Henrique de Mello Sant'Ana z Centrum Inżynierii, Modelowania i Stosowanych Nauk Społecznych na Federalnym Uniwersytecie ABC (Cecs-UFABC) dziedzina produkcji baterii będzie miała strategiczne znaczenie w przyszłości mobilności elektrycznej. Według niego ważne jest, aby Brazylia pozycjonowała się jako twórca technologii, a nie tylko nabywca gotowych produktów. „Nadal nie wiemy, czy inicjatywy takie jak CBMM i Toshiba czy Codemge z Oxis będą opłacalne ekonomicznie i zdolne do zwiększenia wydajności obecnych baterii litowych, ale to doskonale, że Brazylijczycy są zaangażowani w proces rozwoju” - mówi.
Projektowanie
- Opracowanie wtryskiwanych kompozytów grafitowych stosowanych w procesach chemicznych (nr 04 / 09113-3); Innowacyjne badania modalności w małych firmach (rury); Odpowiedzialny badacz Volkmar Ett (Electrocell); Inwestycja 601.848,93 R $.
- Opracowanie i budowa półautomatycznej linii montażowej do ogniw paliwowych (nr 04 / 13975-0); Innowacyjne badania modalności w małych firmach (rury); Umowa Finep Pipe-Pappe; Badacz odpowiedzialny Gerhard Ett (Electrocell); Inwestycja 433.815,72 R $.
- Rozwój ogniw paliwowych zintegrowanych z oprogramowaniem i sprzętem do monitorowania, diagnostyki, kontroli i urządzeń peryferyjnych (nr 00 / 13120-4); Innowacyjne badania modalności w małych firmach (rury); Badacz odpowiedzialny Gerhard Ett (Electrocell); Inwestycja 352,705,02 R $.
