Litijeve baterije koriste se za pohranu energije u električnim vozilima, tržištu s velikim prostorom za širenje u Brazilu
Brazil bi se uskoro mogao pridružiti grupi zemalja koje proizvode baterije za električnu mobilnost, segmentu koji predvode Kina, Sjedinjene Države, Japan i Južna Koreja. U tijeku su najmanje četiri inicijative koje uključuju nacionalne tvrtke u suradnji s inozemnim tvrtkama. zemlju u tu svrhu. U većini njih međunarodni je partner razvio ili je razvija tehnologiju baterija.
Na čelu jednog od projekata stoji tvrtka Minas Gerais Development Company (Codemge), koja je 2018. godine zaključila sporazum s engleskom tvrtkom Oxis Energy o osnivanju prvog postrojenja litij-sumpornih baterijskih ćelija (Li-S) u industrijskim razmjerima. svijet. Prema Oxisu, tehnologija ima superiorne performanse i sigurnost od litij-ionskih baterija, glavno rješenje koje opskrbljuje tržište električnih vozila.
Tradicionalni proizvođač baterija Moura, programer sustava gorivnih ćelija Electrocell i konzorcij koji ujedinjuje rudare brazilske Metalurške i rudarske tvrtke (CBMM) i Japance Toshibe također se planiraju uspostaviti u ovom segmentu.
Isprva će meta Oxis Brasil-a, poduhvata koji proizlazi iz partnerstva između Codemge-a i Oxis Energy-a, biti segment teških vozila, poput autobusa i kamiona, te obrambene i zrakoplovne industrije, s aplikacijama u bespilotnim letjelicama, satelitima i električna vertikalna vozila za polijetanje i slijetanje (eVTOL).
Planirana gradnja u Novoj Limi, u metropolitanskoj regiji Belo Horizonte, uz ulaganje od 56 milijuna američkih dolara, tvornica bi trebala započeti s radom 2022. s godišnjom proizvodnjom od 300 tisuća baterijskih ćelija. U drugoj godini očekuje se dosezanje 1,2 milijuna jedinica, što je polovica ukupnog očekivanog kapaciteta. Struktura već predviđa buduće širenje, koje će omogućiti godišnju proizvodnju od 4,8 milijuna stanica.
Akumulator u vozilu zapravo je skup malih baterija (nazvanih ćelijama), koje su integrirane, tvoreći paket i kojima upravlja softver nazvan BMS (Battery Management System). Za svaku aplikaciju dizajniran je određeni paket ćelija sa serijskim i paralelnim vezama.
Na primjer, baterija za autobuse zahtjeva oko 10 000 ćelija. Rodrigo Mesquita, menadžer jedinice New Business u Codemgeu, izvještava da se tvornica neće posvetiti proizvodnji baterija. Ovu će funkciju obavljati tvrtke koje integriraju BMS stanice i sustave.
Ovogodišnju Nobelovu nagradu za kemiju dobila su trojica istraživača koji su provodili istraživanje vezano uz litijeve baterije„U procesu smo definiranja partnera koji će izvršiti ovu integraciju. Nadamo se da ćemo neke od njih privući u Brazil ”, kaže. Integratore moraju imenovati budući kupci baterija. Među tvrtkama koje su već izrazile interes za opremu su brazilski Embraer, sjevernoamerički Boeing i Lockheed Martin, europski konzorcij Airbus te njemački Mercedes-Benz i Porsche.
Tehnologiju litij-sumpornih baterijskih ćelija razvio je Oxis Energy. Codemge je putem investicijskog fonda Aerotec, koji je stvorio, prošle godine uložio 18,6 milijuna R $ za 12% udjela u Oxis Energyu i doveo industrijski projekt u Brazil kako bi denzificirao proizvodni lanac litij u Minas Geraisu. Regija Vale do Jequitinhonha, na sjeveroistoku države, ističe se potencijalom da se pozicionira kao glavni proizvođač rude.
Oxis Brasil bit će prva komercijalna tvornica litij-sumpornih baterija na planetu. Tehnologija je u razvoju u nekoliko istraživačkih centara širom svijeta. U Japanu Sony radi na stvaranju baterija za pametne telefone s tim materijalima, dok u Sjedinjenim Državama Sion Power Corporation razvija litij-sumporne baterije za vozila. To je također cilj projekta Alise, europskog konzorcija koji je formiralo 16 tvrtki, a čiji je dio i Oxis Energy, čiji je fokus razvoj novih materijala i razumijevanje elektrokemijskih procesa koji su uključeni u tehnologiju sumpora i litija.
U 2018. godini Brazil je proizveo samo 600 tona (t) litija, što je približno oko 0,7% globalnog tržišta. Brazilsku proizvodnju izvela je Companhia Brasileira de Lítio (CBL), tvrtka u kojoj Codemge ima udjel u kapitalu. Geološko istraživanje Brazila procjenjuje da nacionalne rezerve, koncentrirane u dolini Jequitinhonha, čine 8% rude u svijetu od oko 14 milijuna tona. Australija i Čile najveći su svjetski proizvođači litija s 51.000 tona, odnosno 16.000 tona.
Litij je lagani metal visoke energetske gustoće, to jest sposoban je koncentrirati više energije u manjem prostoru u usporedbi s nikal-kadmijevim baterijama koje su se koristile u prvim mobitelima i prijenosnicima ili konvencionalnim automobilskim olovnim baterijama koje se koriste za pokrenite motor s izgaranjem (vidi Pesquisa FAPESP br. 258).
Većina litij-ionskih baterija izrađena je s kombinacijom u kojoj je anoda (negativni pol) izrađena od grafitnog ugljika, dok je katoda (pozitivni pol) sastavljena od litijevog oksida i mješavine metala, koja uključuje nikal, mangan i kobalt. Elektrolit (medij kroz koji se atomi iona kreću između polova) smjesa je organskih otapala i litijevih soli.
Valdirene Peressinotto, koordinatorica projekata za istraživanje, razvoj i inovacije (RD&I) u tvrtki Codemge, objašnjava da, zbog korištenih materijala i proizvodnog procesa, ova kombinacija materijala predstavlja sigurnosne probleme kada su izloženi stresnim situacijama, poput gornjeg grijanja 45 oC, kratki spoj i bušenje, rizik koji postoji u slučaju sudara vozila.
Otopina baterija koju je stvorila tvrtka Oxis Energy predviđa upotrebu metalnog litija na anodi, zamjenjujući grafitni ugljik i kombinaciju sumpora i ugljika na katodi. Tvrtka je razvila vlastitu tehnologiju za katodu i elektrolit. Provedena ispitivanja pokazuju da su ove nove baterije sigurne, da normalno rade na temperaturama u rasponu od negativnih 60 oC do pozitivnih 80 oC i da ne eksplodiraju kad su probušene ili u stanju kratkog spoja.
Uz sigurnost rada, još jedna prednost litij-sumpornih baterija je i gustoća energije. Dok litij-ionski koncentrati imaju maksimalno 240 vata-sata po kilogramu (Wh / kg), litij-sumpor pohranjuje 450 Wh / kg. U praksi to omogućava izradu manjih, lakših baterija koje pružaju veću autonomiju vozilima.
Važna je činjenica, primjećuje Peressinotto, da su litij-ionske baterije već blizu svoje teorijske granice učinkovitosti, dok litij-sumporne baterije još uvijek imaju potencijal za evoluciju u odnosu na gustoću energije. "Oxis očekuje da će već 2020. postići gustoću od 550 Wh / kg", izvještava Codemgeov koordinator za RD&I.
Sa sjedištem u Araxá (MG), CBMM je najveći svjetski proizvođač niobija (vidi Pesquisa FAPESP br. 277). 2018. udružio se s tvrtkom Toshiba Corporation za stvaranje nove litijeve baterije. Prijedlog odjela za istraživanje i razvoj tvrtke Toshiba zamijeniti će ugljikovu anodu miješanim oksidima niobija i titana (NTO), održavajući tradicionalnu konfiguraciju legure litija i metala na katodi.
Prema Rogériju Marquesu Ribasu, izvršnom direktoru baterija u CBMM-u, dok ugljikova anoda reagira na litij i stvara strukturni stres, poput povećanja volumena od 13% tijekom punjenja, NTO ima drugačije ponašanje. "Ova razlika omogućuje veću snagu i veću brzinu punjenja", naglašava.
Usporedbom dviju baterija s istim energetskim punjenjem, dok je litij-ionskoj verziji potrebno četiri sata da se napuni, NTO verziji treba samo 10 minuta. NTO baterija također ima trajnost za upotrebu u vozilima duljim od 15 godina, dok je granica već dobivena u litij-ionskim baterijama pet do 10 godina. Sljedeća je prednost što NTO anoda pruža veću sigurnost u situacijama stresa zbog zagrijavanja ili bušenja.
Partnerstvo CBMM-a i Toshibe predviđa da će svaka od kompanija uložiti 7,2 milijuna dolara u pilot postrojenje koje se gradi u Yokohami u Japanu, a prve jedinice za testiranje proizvest će u roku od dvije godine. "Očekujemo da će kupci 2021. godine odobriti tehnologiju, koja će biti jamstvo za izgradnju proizvodne linije u industrijskim razmjerima", kaže Ribas.
Prema njegovim riječima, još jedan projekt za upotrebu niobija u baterijama provodi američka tvrtka Wildcat Discovery Technologies iz San Diega u Kaliforniji. CBMM je također partner u projektu, čiji je cilj upotreba niobija u katodi. Projekt je u ranoj fazi razvoja.
Potraga za boljim performansama punjivih baterija za električna vozila odražava svjetske napore započete prije nekoliko desetljeća. Proglašena od strane Kraljevske švedske akademije znanosti u listopadu, Nobelovu nagradu za kemiju za 2019. godinu dobili su američki matematičar i fizičar John Bannister Goodenough, britanski kemičar M. Stanley Whittingham i japanski kemičar Akira Yoshino za svoje studije tijekom godina 1970. i 1980. i to je dovelo do razvoja i komercijalne proizvodnje modernih litij-ionskih baterija.
Prema izvješću Global EV Outlook 2019, koje je objavila Međunarodna energetska agencija (IEA), glavni posao koji je u tijeku danas uključuje promjene u kemijskim svojstvima baterija, poput katoda izgrađenih od litijevog oksida i metalnog sastava formiranog s 80% nikla, 10% mangana i 10% kobalta, za razliku od sadašnjih, koji imaju jednak udio od tri metala.
Druga linija razvoja je litijeva katoda s niklom, kobaltom i aluminijevim oksidom, otopina koja se koristi samo u malim baterijama. Najistučeniji materijal za primjenu anoda je silicij-grafitni kompozit. Auto-industrija očekuje značajan napredak u povećanju gustoće energije i smanjenju troškova do 2025. godine.
Globalna flota električnih automobila (čistih i hibridnih) premašila je 5,1 milijuna vozila u 2018. godini, a autobusna flota dosegla je 460.000 jedinica, prema IEA. Očekivanje za 2030. uključuje scenarije u kojima će vozni park varirati od 130 do 250 milijuna. U Brazilu je broj električnih i hibridnih vozila dosegao 10.600 jedinica u 2018. godini, pokazuju podaci Nacionalnog udruženja proizvođača motornih vozila (Anfavea). Ne postoje projekcije za brazilsko tržište, ali očekivanje širenja nacionalne flote motivira tvrtke da lokalno proizvode litij-ionske baterije.
Grupo Moura, tradicionalni proizvođač olovnih baterija za vozila, osnovao je jedinicu za istraživanje i razvoj litijeve baterije u svom sjedištu u Belo Jardimu (PE). Ipak u 2019. godini na tržište stiže prva verzija za viličari. Tvrtka je također sklopila partnerstvo s američkom tvrtkom Xalt Energy, koja posjeduje baterijsku tehnologiju za teška vozila, s ciljem da isprva opsluži tržište autobusa. Potpisan je ugovor s proizvođačem Eletra iz Sao Paula (vidi Pesquisa FAPESP br. 283).
Fernando Castelão, direktor odjela Lítio da Moura, izvještava da će tvrtka prilagoditi Xalt baterije uvjetima korištenja u Brazilu. Nova tvornica Moura otvorena 2018. godine dizajnirana je za proizvodnju predmeta. Prema Castelãou, litij-ionske baterije zahtijevaju posebne sigurnosne mjere kako bi se osiguralo odgovarajuće brtvljenje i zaštita u odnosu na kontakt s vodom. Također im je potreban sustav hlađenja za održavanje ispravne temperature. "Vozila u Brazilu podvrgnuta su klimatskim uvjetima koji se razlikuju od onih u zemljama Sjevera", naglašava direktor.
U Sao Paulu, Electrocell, tvrtka smještena u Centru za inovacije, poduzetništvo i tehnologiju (Cietec) Sveučilišta u Sao Paulu (USP), od 2007. godine radi na razvoju litij-ionskih baterija u vozilu, tehnologije koja potječe od projekta vezanog uz gorivne ćelije podržan od FAPESP-ovog programa cijevi. Tvrtka je sklopila partnerstvo s Brasil VE Superlevesom, nacionalnim proizvođačem automobila sa superkompaktnom šasijom instaliranim u Parque Empresarial Anhanguera, u Cajamaru (SP), s prognozom da će svoju industrijsku aktivnost započeti u prosincu. Cilj je proizvoditi između 40 i 200 jedinica mjesečno, između putničkih vozila s dva i četiri sjedala, mini kamiona i autobusa s 12 i 24 sjedala.
Kemijski inženjer specijaliziran za proizvodnju litijevih baterija u Njemačkoj, direktor Electrocella Gerhard Ett ističe da će tvrtka u početku uvoziti ćelije i integrirati litijeve baterije u zemlju. Prva serija dolazit će iz Njemačke, ali tvrtka također ima komercijalne kontakte u Kini, Sjedinjenim Državama i Južnoj Koreji. “Cilj nam je svu proizvodnju provesti lokalno. Već imamo potrebno tehničko znanje i svladali smo proizvodni proces. Samo nam treba razmjera za pokretanje proizvodnje “, kaže Ett, koji je također profesor na Centro Universitário FEI, u Sao Bernardo do Campo (SP).
Za inženjera strojarstva Paulo Henrique de Mello Sant'Ana, iz Centra za inženjerstvo, modeliranje i primijenjene društvene znanosti pri Saveznom sveučilištu ABC (Cecs-UFABC), domena proizvodnje baterija bit će strateška u budućnosti električne mobilnosti. Prema njegovim riječima, za Brazil je bitno da se pozicionira kao programer tehnologije, a ne samo kao kupac gotovih proizvoda. "Još uvijek ne znamo hoće li inicijative poput inicijative CBMM-a i Toshibe ili Codemge-a s Oxisom imati ekonomsku održivost i sposobnost povećanja performansi trenutnih litijevih baterija, ali izvrsno je što su Brazilci uključeni u proces razvoja", kaže on.
Projekti
- Razvoj injektiranih grafitnih kompozita primijenjenih u kemijskim postupcima (nº 04 / 09113-3); Modalnost Inovativna istraživanja u malim poduzećima (cijevi); Odgovorni istraživač Volkmar Ett (Electrocell); Investicija 601.848,93 R $.
- Razvoj i izgradnja poluautomatske linije za montažu gorivih ćelija (nº 04 / 13975-0); Modalnost Inovativna istraživanja u malim poduzećima (cijevi); Sporazum Finep Pipe-Pappe; Odgovorni istraživač Gerhard Ett (Electrocell); Investicija 433.815,72 R $.
- Razvoj gorivih ćelija integriranih sa softverom i hardverom za praćenje, dijagnozu, kontrolu i periferne uređaje (nº 00 / 13120-4); Modalnost Inovativna istraživanja u malim poduzećima (cijevi); Odgovorni istraživač Gerhard Ett (Electrocell); Ulaganje R $ 352.705,02.
