Litiumbatterier brukes til å lagre energi i elektriske biler, et marked med stort rom for utvidelse i Brasil
Brasil kan snart bli med i gruppen av land som produserer batterier for elektrisk mobilitet, et segment ledet av Kina, USA, Japan og Sør-Korea. Minst fire initiativer, som involverer nasjonale selskaper i samarbeid med utenlandske selskaper, er i gang i land for det formålet. I de fleste av dem ble eller blir batteriteknologien utviklet av den internasjonale partneren.
Et av prosjektene ledes av Minas Gerais Development Company (Codemge), som i 2018 avsluttet en avtale med det britiske selskapet Oxis Energy om å utgjøre det første anlegget med litium-svovelbatterieceller (Li-S) i industriell skala i verden. verden. I følge Oxis har teknologien høyere ytelse og sikkerhet enn litiumionbatterier, den viktigste løsningen som leverer markedet for elbiler.
Den tradisjonelle batteriprodusenten Moura, utvikleren av brenselcellesystemer Electrocell og et konsortium som forener gruvearbeiderne i Brazilian Metallurgy and Mining Company (CBMM) og japanerne fra Toshiba, planlegger også å etablere seg i dette segmentet.
Til å begynne med vil målet for Oxis Brasil, et selskap som et resultat av partnerskapet mellom Codemge og Oxis Energy, være segmentet av tunge kjøretøyer, for eksempel busser og lastebiler, og forsvars- og luftfartsindustrien, med applikasjoner i droner, satellitter og elektriske vertikale start- og landingsbiler (eVTOLs).
Planlagt å bygges i Nova Lima, i hovedstadsregionen Belo Horizonte, med en investering på 56 millioner dollar, bør fabrikken begynne å operere i 2022 med en årlig produksjon på 300 tusen battericeller. I det andre året er forventningen å nå 1,2 millioner enheter, halvparten av den totale forventede kapasiteten. Strukturen forutser allerede en fremtidig utvidelse, som vil tillate den årlige produksjonen på 4,8 millioner celler.
Et bilbatteri er faktisk et sett med små batterier (kalt celler), som er integrert, danner en pakke og administreres av en programvare som heter BMS (Battery Management System). For hver applikasjon er en spesifikk pakke med celler designet med serie- og parallelle tilkoblinger.
Et batteri for busser krever for eksempel rundt 10.000 celler. Rodrigo Mesquita, leder av New Business-enheten i Codemge, opplyser at fabrikken ikke vil vie seg til å produsere batteriene. Denne funksjonen vil bli utført av selskaper som integrerer celler og BMS-systemer.
Årets Nobelpris i kjemi ble gitt til tre forskere som gjennomførte forskning relatert til litiumbatterier“Vi er i ferd med å definere partnerne som skal gjøre denne integrasjonen. Vi håper å tiltrekke noen av dem til Brasil, sier han. Integratorene må utnevnes av fremtidige batterikunder. Blant selskapene som allerede har uttrykt interesse for utstyret, er brasilianske Embraer, nordamerikanske Boeing og Lockheed Martin, det europeiske konsortiet Airbus og tyske Mercedes-Benz og Porsche.
Teknologien til litium-svovel battericeller ble utviklet av Oxis Energy. Codemge, gjennom Aerotec investeringsfond, opprettet av det, investerte i fjor R $ 18,6 millioner for en eierandel på 12% i Oxis Energy og brakte industriprosjektet til Brasil for å fortette produksjonskjeden til litium i Minas Gerais. Regionen Vale do Jequitinhonha, nordøst i staten, skiller seg ut med potensial til å posisjonere seg som en stor produsent av malmen.
Oxis Brasil vil være den første kommersielle skalaen av litium-svovelbatterier på planeten. Teknologien er under utvikling i flere forskningssentre rundt om i verden. I Japan jobber Sony med å lage smarttelefonbatterier med materialene, mens Sion Power Corporation i USA utvikler bilbatterier med litium-svovel. Dette er også målet for Alise Project, et europeisk konsortium dannet av 16 selskaper, som Oxis Energy er en del av, med fokus på utvikling av nye materialer og forståelse av de elektrokjemiske prosessene som er involvert i svovel- og litiumteknologi.
I 2018 produserte Brasil bare 600 tonn (t) litium, et volum tilsvarende omtrent 0,7% av det globale markedet. Den brasilianske produksjonen ble utført av Companhia Brasileira de Lítio (CBL), et selskap der Codemge har eierandeler. Geological Survey of Brazil anslår at nasjonale reserver, konsentrert i Jequitinhonha-dalen, utgjør 8% av malmen i verden, på rundt 14 millioner tonn. Australia og Chile er de største globale litiumprodusentene, med henholdsvis 51.000 t og 16.000 t.
Litium er et lett metall med høy energitetthet, det vil si at det er i stand til å konsentrere mer energi på et mindre rom sammenlignet med nikkel-kadmiumbatterier som brukes i de første mobiltelefoner og bærbare datamaskiner eller de konvensjonelle bilblybatteriene som brukes til start forbrenningsmotoren (se Pesquisa FAPESP nr. 258).
De fleste litiumionbatterier er bygget med en kombinasjon der anoden (negativ pol) er laget av grafittkarbon, mens katoden (positiv pol) består av litiumoksid og en blanding av metaller, som inkluderer nikkel, mangan og kobolt. Elektrolytten (mediet gjennom hvilket ionatomer beveger seg mellom polene) er en blanding av organiske løsningsmidler og litiumsalter.
Valdirene Peressinotto, koordinator for forskning, utvikling og innovasjon (RD&I) prosjekter ved Codemge, forklarer at på grunn av materialene som brukes og produksjonsprosessen, gir denne kombinasjonen av materialer sikkerhetsproblemer når de blir utsatt for stressende situasjoner, som for eksempel oppvarming over 45 oC, kortslutning og boring, en risiko som oppstår i tilfelle en kjøretøyskollisjon.
Batteriløsningen opprettet av Oxis Energy sørger for bruk av metallisk litium ved anoden, og erstatter grafittkarbon, og en kombinasjon av svovel og karbon ved katoden. Selskapet utviklet sin egen teknologi for katoden og elektrolytten. Testene som er utført indikerer at disse nye batteriene er trygge, fungerer normalt ved temperaturer fra minus 60 oC til positive 80 oC og ikke eksploderer når de punkteres eller i kortslutningstilstand.
I tillegg til driftssikkerhet, er en annen fordel med litium-svovelbatterier energitetthet. Mens litiumionkonsentrater maksimalt har 240 wattime per kilo (Wh / kg), lagrer litium-svovel 450 Wh / kg. I praksis gjør dette det mulig å bygge mindre, lettere batterier som gir større autonomi til kjøretøyene.
Et viktig faktum, bemerker Peressinotto, er at litiumionbatteriene allerede er nær deres teoretiske effektivitetsgrense, mens de av litium-svovel fremdeles har potensial for utvikling i forhold til energitetthet. “Oxis forventer å oppnå en tetthet på 550 Wh / kg allerede i 2020”, opplyser Codemges RD&I koordinator.
CBMM har hovedkontor i Araxá (MG) og er den største globale produsenten av niob (se Pesquisa FAPESP nr. 277). I 2018 samarbeidet det med Toshiba Corporation for å lage et nytt litiumbatteri. Forslaget fra Toshibas FoU-avdeling er å erstatte karbonanoden med blandede oksider av niob og titan (NTO), og opprettholde den tradisjonelle konfigurasjonen av en litium- og metalllegering ved katoden.
I følge Rogério Marques Ribas, konsernsjef for batterier ved CBMM, mens karbonanoden reagerer på litium og genererer strukturell belastning, for eksempel en volumøkning på 13% under lading, har NTO en annen oppførsel. "Denne forskjellen åpner for mer kraft og mer fart i ladingen", fremhever han.
Sammenligning av to batterier med samme energilading, mens det tar fire timer å lade opp litiumionversjonen, trenger NTO-versjonen bare 10 minutter. NTO-batteriet har også holdbarhet for bruk i biler over 15 år, mens grensen som allerede er oppnådd i litiumionbatterier er fem til ti år. En annen fordel er at NTO-anoden gir mer sikkerhet i spenningssituasjoner på grunn av oppvarming eller boring.
Partnerskapet mellom CBMM og Toshiba spår at hvert av selskapene vil investere 7,2 millioner dollar i et pilotanlegg, som blir reist i Yokohama, Japan, og vil produsere de første enhetene for testing innen to år. "Vår forventning er å få godkjent teknologien av kunder i 2021, som vil være garantien for bygging av en produksjonslinje i industriell skala", sier Ribas.
Ifølge ham er et annet prosjekt for bruk av niob i batterier utført av American Wildcat Discovery Technologies, i San Diego, California. CBMM er også en partner i prosjektet, hvis mål er bruken av niob i katoden. Prosjektet er i et tidlig utviklingsstadium.
Jakten på bedre ytelse i oppladbare batterier til elektriske biler gjenspeiler en verdensomspennende innsats som startet for noen tiår siden. Annonsert av Det kongelige svenske vitenskapsakademiet i oktober, ble Nobelprisen i kjemi 2019 tildelt den amerikanske matematikeren og fysikeren John Bannister Goodenough, den britiske kjemikeren M. Stanley Whittingham og den japanske kjemikeren Akira Yoshino for studiene de gjennomførte gjennom årene 1970 og 1980, og det førte til utvikling og kommersiell produksjon av moderne litiumionbatterier.
Ifølge Global EV Outlook 2019-rapporten publisert av International Energy Agency (IEA), involverer hovedarbeidet i dag endringer i de kjemiske egenskapene til batterier, som katoder konstruert med litiumoksid og en metallsammensetning dannet med 80% av nikkel, 10% mangan og 10% kobolt, i motsetning til de nåværende, som har en like stor andel av de tre metallene.
En annen utvikling er litiumkatoder med nikkel, kobolt og aluminiumoksid, en løsning som bare brukes i små batterier. Det mest studerte materialet for anodeanvendelse er silisium-grafittkompositt. Bilindustrien forventer betydelig fremgang med å øke energitettheten og redusere kostnadene innen 2025.
Den globale flåten med elektriske biler (ren og hybrid) overgikk 5,1 millioner kjøretøyer i 2018, og bussflåten nådde 460 000 enheter, ifølge IEA. Forventningen for 2030 inkluderer scenarier der bilparken vil variere fra 130 millioner til 250 millioner. I Brasil nådde antall elektriske og hybridbiler 10.600 enheter i 2018, ifølge data fra National Association of Motor Vehicle Manufacturers (Anfavea). Det er ingen anslag for det brasilianske markedet, men forventningen om å utvide den nasjonale flåten motiverer selskaper til å produsere litiumionbatterier lokalt.
Grupo Moura, en tradisjonell produsent av blybatteribatterier, etablerte en FoU-enhet for litiumbatterier ved hovedkontoret i Belo Jardim (PE). I 2019 kommer en første versjon av gaffeltrucker på markedet. Selskapet inngikk også et partnerskap med det amerikanske selskapet Xalt Energy, som eier batteriteknologi for tunge kjøretøyer, med det formål å i første øyeblikk betjene bussmarkedet. En kontrakt ble signert med São Paulo-produsenten Eletra (se Pesquisa FAPESP nr. 283).
Fernando Castelão, direktør for Lítio da Moura-divisjonen, informerer om at selskapet vil tilpasse Xalt-batterier til bruksforholdene i Brasil. En ny Moura-fabrikk åpnet i 2018 er designet for å produsere varen. I følge Castelão krever litiumionbatterier spesielle sikkerhetsregler for å sikre tilstrekkelig tetting og beskyttelse i forhold til kontakt med vann. De trenger også et kjølesystem for å opprettholde riktig temperatur. "Kjøretøy i Brasil er utsatt for klimatiske forhold som er forskjellige fra landene i Norden", fremhever utøvende.
I São Paulo har Electrocell, et selskap ved Center for Innovation, Entrepreneurship and Technology (Cietec) ved University of São Paulo (USP), jobbet med utvikling av bil litiumionbatterier siden 2007, teknologi som stammer fra et prosjekt relatert til brenselceller støttet av FAPESPs Pipe-program. Selskapet inngikk et partnerskap med Brasil VE Superleves, en nasjonal bilprodusent med superkompakt chassis installert på Parque Empresarial Anhanguera, i Cajamar (SP), med en prognose om å starte sin industrielle aktivitet i desember. Målet er å produsere mellom 40 og 200 enheter per måned, mellom personbiler med to og fire seter, minibiler og busser med 12 og 24 seter.
Kjemisk ingeniør som spesialiserer seg på produksjon av litiumbatterier i Tyskland, påpeker direktøren for Electrocell Gerhard Ett at selskapet i utgangspunktet vil importere cellene og integrere litiumbatterier i landet. Den første batchen kommer fra Tyskland, men selskapet har også kommersielle kontakter i Kina, USA og Sør-Korea. “Målet vårt er å utføre all produksjon lokalt. Vi har allerede den nødvendige tekniske kunnskapen og har mestret produksjonsprosessen. Vi trenger bare skala for å starte produksjonen, sier 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 domenet for batteriproduksjon være strategisk i en fremtid med elektrisk mobilitet. Ifølge ham er det viktig for Brasil å posisjonere seg som en teknologiutvikler og ikke bare en kjøper av ferdige produkter. "Vi vet fortsatt ikke om initiativer som CBMM og Toshiba eller Codemge med Oxis vil ha økonomisk levedyktighet og muligheten til å øke ytelsen til nåværende litiumbatterier, men det er utmerket at brasilianere er involvert i utviklingsprosessen," sier han.
Prosjekter
- Utvikling av injiserte grafittkompositter påført i kjemiske prosesser (nº 04 / 09113-3); Modality Innovative Research in Small Companies (Pipe); Ansvarlig forsker Volkmar Ett (Electrocell); Investering R $ 601.848,93.
- Utvikling og konstruksjon av en halvautomatisk samlebånd for brenselceller (nº 04 / 13975-0); Modality Innovative Research in Small Companies (Pipe); Finep Pipe-Pappe-avtale; Ansvarlig forsker Gerhard Ett (Electrocell); Investering R $ 433 815,72.
- Utvikling av brenselceller integrert med programvare og maskinvare for overvåking, diagnose, kontroll og periferiutstyr (nº 00 / 13120-4); Modality Innovative Research in Small Companies (Pipe); Ansvarlig forsker Gerhard Ett (Electrocell); Investering R $ 352,705.02.
