lovesouthernsocial.com

Bateriile cu litiu sunt folosite pentru a stoca energie în vehiculele electrice, o piață cu mare spațiu de expansiune în Brazilia

Brazilia se poate alătura în curând grupului de țări care produc baterii pentru mobilitatea electrică, segment condus de China, Statele Unite, Japonia și Coreea de Sud. Cel puțin patru inițiative, care implică companii naționale în colaborare cu cele străine, sunt în derulare în țară pentru acel scop. În cele mai multe dintre ele, tehnologia bateriilor a fost sau este în curs de dezvoltare de către partenerul internațional.

Unul dintre proiecte este condus de Compania de Dezvoltare din Minas Gerais (Codemge), care a semnat un acord în 2018 cu compania engleză Oxis Energy pentru a înființa prima fabrică la scară industrială de celule de baterii cu litiu-sulf (Li-S) din regiune. . lume. Tehnologia, conform Oxis, are o performanță și o siguranță superioare celei bateriilor litiu-ion, principala soluție care alimentează piața vehiculelor electrice.

Producătorul tradițional de baterii Moura, dezvoltatorul de sisteme de celule de combustie Electrocell și un consorțiu care reunește mineri de la Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineração (CBMM) și japonezi de la Toshiba intenționează, de asemenea, să se impună în acest segment.

La început, ținta Oxis Brasil, o întreprindere rezultată din parteneriatul dintre Codemge și Oxis Energy, va fi segmentul vehiculelor grele, cum ar fi autobuzele și camioanele, și industria de apărare și aerospațială, cu aplicații în drone, sateliți și verticală. vehicule electrice de decolare și aterizare (eVTOL).

Planificată a fi construită în Nova Lima, în Regiunea Metropolitană Belo Horizonte, cu o investiție de 56 milioane USD, fabrica ar trebui să înceapă să funcționeze în 2022 cu o producție anuală de 300 de mii de baterii. În al doilea an, așteptările sunt de a ajunge la 1,2 milioane de unități, jumătate din capacitatea totală așteptată. Structura prevede deja o extindere viitoare, care va permite producția anuală a 4,8 milioane de celule.

O baterie de vehicul este de fapt un set de baterii mici (numite celule), care sunt integrate, formând un pachet, și gestionate de un software numit BMS (Battery Management System sau sistem de management al bateriei). Pentru fiecare aplicație este proiectat un pachet specific de celule cu conexiuni seriale și paralele.

O baterie pentru autobuze, de exemplu, necesită aproximativ 10.000 de celule. Rodrigo Mesquita, managerul unității New Business a Codemge, informează că fabrica nu va fi dedicată producerii bateriilor. Această funcție va fi îndeplinită de companii care integrează celule și sisteme BMS.

Premiul Nobel pentru chimie de anul acesta a fost acordat trei cercetători care au efectuat cercetări legate de bateriile cu litiu

„Suntem în proces de definire a partenerilor care vor realiza această integrare. Sperăm să-i atragem pe unii dintre ei în Brazilia”, spune el. Integratorii ar trebui să fie nominalizați de viitorii clienți ai bateriilor. Printre companiile care și-au arătat deja interesul pentru echipamente se numără brazilianul Embraer, nord-americanul Boeing și Lockheed Martin, consorțiul european Airbus și germanul Mercedes-Benz și Porsche.

Tehnologia celulelor bateriei cu litiu-sulf a fost dezvoltată de Oxis Energy. Codemge, prin fondul de investiții Aerotec, creat de acesta, a investit anul trecut 18,6 milioane R$ pentru un pachet de 12% din Oxis Energy și a adus proiectul industrial în Brazilia pentru a îngroșa lanțul de producție al litiului din Minas Gerais. Regiunea Vale do Jequitinhonha, în nord-estul statului, apare cu potențialul de a se poziționa ca un producător major de minereu.

Oxis Brasil va fi prima fabrică la scară comercială de baterii cu litiu-sulf de pe planetă. Tehnologia este în curs de dezvoltare în mai multe centre de cercetare din întreaga lume. În Japonia, Sony lucrează pentru a crea baterii pentru smartphone-uri din materiale, în timp ce în Statele Unite, Sion Power Corporation dezvoltă baterii pentru vehicule cu litiu-sulf. Acesta este și obiectivul Projeto Alise, un consorțiu european format din 16 companii, din care face parte Oxis Energy, al cărui accent este dezvoltarea de noi materiale și înțelegerea proceselor electrochimice implicate în tehnologia sulfului și litiului.

În 2018, Brazilia a produs doar 600 de tone (t) de litiu, un volum echivalent cu aproximativ 0,7% din piața globală. Producția braziliană a fost realizată de Companhia Brasileira de Litio (CBL), companie în care Codemge deține o participație. Studiul Geologic din Brazilia estimează că rezervele naționale, concentrate în Valea Jequitinhonha, reprezintă 8% din minereul mondial, în jur de 14 milioane de tone. Australia și Chile sunt cei mai mari producători mondiali de litiu, cu, respectiv, 51.000 t și, respectiv, 16.000 t.

Litiul este un metal ușor cu densitate mare de energie, adică este capabil să concentreze mai multă energie într-un spațiu mai mic în comparație cu bateriile cu nichel-cadmiu folosite în primele telefoane mobile și notebook-uri sau cu mașina convențională plumb-acid folosită pentru activați motorul vehiculului cu ardere (vezi Pesquisa FAPESP nr. 258).

Majoritatea bateriilor litiu-ion sunt construite cu o combinație în care anodul (polul negativ) este realizat din carbon grafit, în timp ce catodul (polul pozitiv) este realizat din oxid de litiu și un amestec de metale, care include nichel, mangan și cobalt. Electrolitul (mediul prin care atomii de ioni se deplasează între poli) este un amestec de solvenți organici și săruri de litiu.

Valdirene Peressinotto, coordonator al proiectelor de cercetare, dezvoltare și inovare (CD&I) la Codemge, explică că, datorită materialelor utilizate și procesului de producție, această combinație de materiale prezintă probleme de siguranță atunci când este expusă la situații stresante, precum încălzirea peste 45 oC, scurtcircuit și perforare, risc care există în cazul coliziunii vehiculului.

Soluția de baterie creată de Oxis Energy prevede utilizarea de litiu metalic în anod, înlocuind carbonul grafit și o combinație de sulf și carbon în catod. Compania a dezvoltat propria tehnologie pentru catod și electrolit. Testele efectuate indică faptul că aceste baterii noi sunt sigure, funcționează normal la temperaturi cuprinse între minus 60oC și minus 80oC și nu explodează atunci când sunt perforate sau în stare de scurtcircuit.

Pe lângă siguranța de funcționare, un alt avantaj al bateriilor cu litiu-sulf este densitatea energiei. În timp ce bateriile cu litiu-ion concentrează maximum 240 de wați-oră pe kilogram (Wh/kg), cele cu litiu-sulf stochează 450 Wh/kg. În practică, acest lucru face posibilă construirea de baterii mai mici, mai ușoare, care oferă vehiculelor o autonomie mai mare.

Un fapt important, observă Peressinotto, este că cele cu litiu-ion sunt deja aproape de limita lor teoretică de eficiență, în timp ce cele cu litiu-sulf au încă potențial de evoluție în raport cu densitatea energetică. „Oxis se așteaptă să atingă o densitate de 550 Wh/kg până în 2020”, informează coordonatorul RD&I Codemge.

Cu sediul central în Araxá (MG), CBMM este cel mai mare producător mondial de niobiu (vezi Pesquisa FAPESP nr. 277). În 2018, a colaborat cu Toshiba Corporation pentru a crea o nouă baterie cu litiu. Propunerea departamentului R&D Toshiba este de a înlocui anodul de carbon cu oxizi amestecați de niobiu și titan (NTO), păstrând configurația tradițională a unui aliaj de litiu metalic în catod.

Potrivit lui Rogério Marques Ribas, director executiv al bateriilor la CBMM, în timp ce anodul de carbon reacționează la litiu și generează stres structural, cum ar fi o creștere a volumului cu 13% în timpul reîncărcării, NTO se comportă diferit. „Această diferență permite o putere mai mare și o reîncărcare mai rapidă”, subliniază el.

Comparând două baterii cu aceeași încărcare de energie, în timp ce versiunea cu litiu-ion durează patru ore pentru a se reîncărca, versiunea NTO are nevoie de doar 10 minute. Bateria NTO are, de asemenea, o durabilitate pentru utilizare în vehicule peste 15 ani, în timp ce limita deja obținută în bateria litiu-ion este de cinci până la 10 ani. Un alt avantaj este că anodul NTO oferă o mai mare siguranță în situații de stres datorat încălzirii sau găuririi.

Parteneriatul dintre CBMM și Toshiba cere ca fiecare dintre companii să investească 7,2 milioane USD într-o fabrică pilot, care este construită în Yokohama, Japonia, și va produce primele unități pentru testare în termen de doi ani. „Așteptările noastre este să avem tehnologia aprobată de clienți în 2021, care va fi garanția construirii unei linii de producție la scară industrială”, spune Ribas.

Potrivit acestuia, un alt proiect de utilizare a niobiului în baterii este realizat de North American Wildcat Discovery Technologies, în San Diego, California. CBMM este, de asemenea, partener în proiect, al cărui obiectiv este utilizarea niobiului în catod. Proiectul se află în stadiul inițial de dezvoltare.

Căutarea unei performanțe mai bune în bateriile reîncărcabile pentru vehicule electrice reflectă un efort mondial început cu câteva decenii în urmă. Anunțat de Academia Regală Suedeză de Științe în octombrie, Premiul Nobel pentru Chimie 2019 a fost acordat matematicianului și fizicianului american John Bannister Goodenough, chimistului britanic M. Stanley Whittingham și chimistului japonez Akira Yoshino pentru studiile lor de-a lungul anilor 1970 și 1980 și care a condus la dezvoltarea și producția comercială de baterii moderne litiu-ion.

Potrivit raportului Global EV Outlook 2019 publicat de Agenția Internațională pentru Energie (IEA), principala activitate în curs de desfășurare astăzi implică modificări ale caracteristicilor chimice ale bateriilor, cum ar fi catozii construiți cu oxid de litiu și o compoziție metalică formată cu 80% nichel. , 10% mangan și 10% cobalt, spre deosebire de cele actuale, care au o pondere egală din cele trei metale.

O altă linie de dezvoltare este catozii de litiu cu nichel, cobalt și oxid de aluminiu, o soluție folosită doar în bateriile mici. Cel mai studiat material pentru aplicare în anozi este compozitul siliciu-grafit. Industria auto se așteaptă la progrese semnificative în creșterea densității energetice și reducerea costurilor până în 2025.

Flota globală de mașini electrice (pure și hibride) a depășit 5,1 milioane de vehicule în 2018, iar flota de autobuze a ajuns la 460.000 de unități, potrivit AIE. Așteptările pentru 2030 includ scenarii în care flota auto va varia de la 130 de milioane la 250 de milioane. În Brazilia, numărul de vehicule electrice și hibride a ajuns la 10,6 mii de unități în 2018, potrivit datelor Asociației Naționale a Producătorilor de Autovehicule (Anfavea). Nu există proiecții pentru piața braziliană, dar așteptarea extinderii flotei naționale motivează companiile să producă baterii litiu-ion la nivel local.

Grupo Moura, un producător tradițional de baterii pentru vehicule cu plumb, a înființat o unitate de cercetare și dezvoltare a bateriilor cu litiu la sediul său din Belo Jardim (PE). Tot în 2019 apare pe piață o primă versiune pentru stivuitoare. De asemenea, compania a intrat într-un parteneriat cu americanul Xalt Energy, deținător al tehnologiei bateriilor pentru vehicule grele, cu obiectivul de a deservi, la început, piața autobuzelor. A fost semnat un contract cu producătorul din São Paulo Eletra (vezi Pesquisa FAPESP nr. 283).

Fernando Castelão, directorul Diviziei de Litiu de la Moura, informează că compania va adapta bateriile Xalt la condițiile de utilizare din Brazilia. O nouă fabrică Moura deschisă în 2018 este concepută pentru a produce articolul. Potrivit Castelão, bateriile cu litiu-ion necesită măsuri de siguranță speciale pentru a asigura o etanșare adecvată și o protecție împotriva contactului cu apa. De asemenea, au nevoie de un sistem de răcire pentru a menține temperatura corectă. „Vehiculele din Brazilia sunt supuse unor condiții climatice diferite de cele din țările nordice”, subliniază executivul.

În São Paulo, Electrocell, o companie găzduită în Centrul pentru Inovare, Antreprenoriat și Tehnologie (Cietec) al Universității din São Paulo (USP), lucrează la dezvoltarea bateriilor litiu-ion pentru vehicule din 2007, tehnologie care decurge dintr-un proiect legat de celulele de combustie susținut prin programul Pipe al FAPESP. Compania a intrat într-un parteneriat cu Brasil VE Superleves, un asamblator național de vehicule cu șasiu super-compact instalat în parcul de afaceri Anhanguera, din Cajamar (SP), și este de așteptat să își înceapă activitatea industrială în decembrie. Scopul este de a produce între 40 și 200 de unități pe lună, inclusiv autovehicule de pasageri cu două și patru locuri, mini-camioane și autobuze cu 12 și 24 de locuri.

Inginer chimist specializat în fabricarea bateriilor cu litiu în Germania, directorul Electrocell Gerhard Ett subliniază că inițial compania va importa celulele și va integra bateriile cu litiu în țară. Primul lot va veni din Germania, dar compania are contacte comerciale și în China, Statele Unite și Coreea de Sud. „Scopul nostru este să realizăm toată producția la nivel local. Avem deja cunoștințele tehnice necesare și am stăpânit procesul de fabricație. Avem nevoie doar de scară pentru a începe producția”, spune Ett, care este și profesor la Centrul Universitar FEI din São Bernardo do Campo (SP).

Pentru inginerul mecanic Paulo Henrique de Mello Sant’Ana, de la Centrul de Inginerie, Modelare și Științe Sociale Aplicate de la Universitatea Federală ABC (Cecs-UFABC), stăpânirea producției de baterii va fi strategică într-un viitor al mobilității electrice. Potrivit acestuia, este esențial ca Brazilia să se poziționeze ca dezvoltator de tehnologie și nu doar cumpărător de produse finite. „Încă nu știm dacă inițiative precum CBMM și Toshiba sau Codemge cu Oxis vor avea viabilitate economică și capacitatea de a crește performanța bateriilor cu litiu actuale, dar este excelent faptul că brazilienii sunt implicați în procesul de dezvoltare”, declară el.

Proiecte

1. Dezvoltarea compozitelor de grafit injectat aplicate în procese chimice (nr. 04/09113-3); Modalitate Cercetare inovatoare în întreprinderile mici (Pipe); Cercetator responsabil Volkmar Ett (Electrocelula); Investiție 601.848,93 R$.
2. Dezvoltarea și construcția unei linii de asamblare semiautomată a pilelor de combustie (nr. 04/13975-0); Modalitate Cercetare inovatoare în întreprinderile mici (Pipe); Acord Finep Pipe-Pappe; Cercetator responsabil Gerhard Ett (Electrocelula); Investiție 433.815,72 R$.
3. Dezvoltare de celule de combustie integrate cu software și hardware pentru monitorizare, diagnosticare, control și periferice (nr. 00/13120-4); Modalitate Cercetare inovatoare în întreprinderile mici (Pipe); Cercetator responsabil Gerhard Ett (Electrocelula); Investiție 352.705,02 R$.

---