Lítiové batérie sa používajú na ukladanie energie do elektrických vozidiel, čo je trh s veľkým priestorom na rozšírenie v Brazílii
Brazília sa môže čoskoro pridať ku skupine krajín, ktoré vyrábajú batérie pre elektrickú mobilitu, čo je segment vedený Čínou, USA, Japonskom a Južnou Kóreou. V krajine prebiehajú najmenej štyri iniciatívy, ktoré zahŕňajú národné spoločnosti v spolupráci so zahraničnými spoločnosťami. krajine. Vo väčšine z nich bola alebo je technológia batérií vyvinutá medzinárodným partnerom.
Jeden z projektov vedie spoločnosť Minas Gerais Development Company (Codemge), ktorá v roku 2018 uzavrela dohodu s anglickou spoločnosťou Oxis Energy o vytvorení prvého závodu v lítium-sírovom akumulátorovom článku (Li-S) na svete v priemyselnom meradle. svet. Táto technológia má podľa spoločnosti Oxis vyšší výkon a bezpečnosť ako lítium-iónové batérie, hlavné riešenie, ktoré dodáva trh s elektrickými vozidlami.
V tomto segmente sa plánuje etablovať aj tradičný výrobca batérií Moura, vývojár systémov palivových článkov Electrocell a konzorcium združujúce baníkov z brazílskej hutníckej a ťažobnej spoločnosti (CBMM) a Japoncov zo spoločnosti Toshiba.
Cieľom spoločnosti Oxis Brasil, ktorá je výsledkom partnerstva spoločností Codemge a Oxis Energy, bude spočiatku segment ťažkých vozidiel, ako sú autobusy a nákladné vozidlá, a obranný a letecký priemysel s aplikáciami v dronoch, satelitoch a elektrické vertikálne vzletové a pristávacie vozidlá (eVTOL).
Továreň, ktorá sa plánuje postaviť v Novej Lime v metropolitnej oblasti Belo Horizonte, s investíciou 56 miliónov USD, by mala začať fungovať v roku 2022 s ročnou produkciou 300-tisíc batériových článkov. V druhom roku sa očakáva dosiahnutie 1,2 milióna kusov, čo je polovica z celkovej predpokladanej kapacity. Štruktúra už počíta s budúcim rozšírením, ktoré umožní ročnú produkciu 4,8 milióna článkov.
Batéria vozidla je v skutočnosti sada malých batérií (nazývaných články), ktoré sú integrované do jedného balíka a sú spravované softvérom s názvom BMS (Battery Management System). Pre každú aplikáciu so sériovým a paralelným pripojením je určený konkrétny balík buniek.
Napríklad batéria pre autobusy vyžaduje okolo 10 000 článkov. Rodrigo Mesquita, manažér jednotky nového obchodu v Codemge, informuje, že továreň sa nebude venovať výrobe batérií. Túto funkciu budú vykonávať spoločnosti, ktoré integrujú BMS bunky a systémy.
Tohtoročnú Nobelovu cenu za chémiu dostali traja vedci, ktorí uskutočnili výskum týkajúci sa lítiových batérií„Sme v procese definovania partnerov, ktorí urobia túto integráciu. Dúfame, že niektorých z nich prilákame do Brazílie, “hovorí. Integrátori musia byť určení budúcimi zákazníkmi s batériami. Medzi spoločnosti, ktoré už o vybavenie prejavili záujem, patria brazílsky Embraer, severoamerický Boeing a Lockheed Martin, európske konzorcium Airbus a nemecké Mercedes-Benz a Porsche.
Technológiu lítium-sírových batériových článkov vyvinula spoločnosť Oxis Energy. Codemge prostredníctvom ním vytvoreného investičného fondu Aerotec investoval minulý rok 18,6 milióna R $ za 12% podiel v spoločnosti Oxis Energy a priniesol priemyselný projekt do Brazílie s cieľom zahustiť výrobný reťazec spoločnosti lítium v Minas Gerais. Región Vale do Jequitinhonha na severovýchode štátu vyniká potenciálom presadiť sa ako hlavný producent rudy.
Oxis Brasil bude prvou komerčnou továrňou na lítium-sírne batérie na planéte. Táto technológia je vo vývoji vo viacerých výskumných centrách po celom svete. V Japonsku spoločnosť Sony pracuje na výrobe batérií pre smartphony z týchto materiálov, zatiaľ čo v Spojených štátoch vyvíja spoločnosť Sion Power Corporation lítium-sírové automobilové batérie. To je tiež cieľom projektu Alise Project, európskeho konzorcia tvoreného 16 spoločnosťami, ktorých súčasťou je spoločnosť Oxis Energy, ktorá sa zameriava na vývoj nových materiálov a pochopenie elektrochemických procesov používaných v technológii síry a lítia.
V roku 2018 vyrobila Brazília iba 600 ton (t) lítia, čo predstavuje objem zodpovedajúci asi 0,7% globálneho trhu. Brazílsku produkciu realizovala spoločnosť Companhia Brasileira de Lítio (CBL), v ktorej má spoločnosť Codemge majetkový podiel. Geologický prieskum Brazílie odhaduje, že národné rezervy sústredené v údolí Jequitinhonha tvoria 8% rudy na svete, čo je asi 14 miliónov ton. Austrália a Čile sú najväčšími svetovými producentmi lítia s 51-tisíc tonami a 16 tisícmi tonami.
Lítium je ľahký kov s vysokou hustotou energie, to znamená, že je schopný sústrediť viac energie v menšom priestore v porovnaní s nikel-kadmiovými batériami použitými v prvých mobilných telefónoch a notebookoch alebo s konvenčným olovnatým automobilom používaným na výrobu naštartujte motor spaľovacích vozidiel (pozri Pesquisa FAPESP č. 258).
Väčšina lítium-iónových batérií je vyrobená v kombinácii, v ktorej je anóda (záporný pól) vyrobená z grafitového uhlíka, zatiaľ čo katóda (kladný pól) je zložená z oxidu lítia a zmesi kovov, ktorá obsahuje nikel, mangán a kobalt. Elektrolyt (médium, ktorým sa atómy iónov pohybujú medzi pólmi), je zmesou organických rozpúšťadiel a solí lítia.
Valdirene Peressinotto, koordinátorka projektov v oblasti výskumu, vývoja a inovácií (RD&I) v spoločnosti Codemge, vysvetľuje, že vzhľadom na použité materiály a výrobný proces predstavuje táto kombinácia materiálov bezpečnostné problémy, ak sú vystavené stresovým situáciám, ako je napríklad ohrev vyššie 45 oC, skrat a vŕtanie, riziko, ktoré existuje v prípade kolízie vozidla.
Batériové riešenie vytvorené spoločnosťou Oxis Energy umožňuje použitie kovového lítia na anóde, ktoré nahradzuje grafitový uhlík, a kombináciu síry a uhlíka na katóde. Spoločnosť vyvinula vlastnú technológiu pre katódu a elektrolyt. Vykonané testy naznačujú, že tieto nové batérie sú bezpečné, normálne fungujú pri teplotách od záporných 60 oC do kladných 80 oC a pri prepichnutí alebo skratu nevybuchnú.
Okrem prevádzkovej bezpečnosti je ďalšou výhodou lítium-sírnych batérií hustota energie. Zatiaľ čo lítium-iónové koncentráty majú maximum 240 wattov na kilogram (Wh / kg), lítium-síra si uchováva 450 Wh / kg. V praxi to umožňuje vyrábať menšie a ľahšie batérie, ktoré poskytujú vozidlám väčšiu autonómiu.
Dôležitým faktom, poznamenáva Peressinotto, je, že lítium-iónové batérie sú už blízko svojej teoretickej hranice účinnosti, zatiaľ čo lítium-sírové batérie majú stále potenciál na vývoj v súvislosti s hustotou energie. „Spoločnosť Oxis očakáva, že hustotu 550 Wh / kg dosiahne už v roku 2020,“ informuje koordinátor pre výskum a inovácie Codemge.
Spoločnosť CBMM so sídlom v Araxe (MG) je najväčším svetovým producentom nióbu (pozri Pesquisa FAPESP č. 277). V roku 2018 uzavrelo partnerstvo so spoločnosťou Toshiba Corporation s cieľom vytvoriť novú lítiovú batériu. Oddelením výskumu a vývoja spoločnosti Toshiba navrhuje nahradiť uhlíkovú anódu zmesnými oxidmi nióbu a titánu (NTO) pri zachovaní tradičnej konfigurácie lítia a kovovej zliatiny na katóde.
Podľa Rogéra Marquesa Ribasa, výkonného manažéra batérií v CBMM, zatiaľ čo uhlíková anóda reaguje na lítium a generuje štrukturálne napätie, napríklad 13% zvýšenie objemu počas nabíjania, NTO sa správa odlišne. „Tento rozdiel umožňuje vyšší výkon a vyššiu rýchlosť pri dobíjaní,“ zdôrazňuje.
V porovnaní s dvoma batériami s rovnakým energetickým nabitím, zatiaľ čo nabitie lítium-iónovej verzie trvá štyri hodiny, verzii NTO stačí iba 10 minút. Batéria NTO má životnosť aj pri použití vo vozidlách viac ako 15 rokov, zatiaľ čo limit, ktorý sa už v prípade lítium-iónových batérií dosiahol, je päť až 10 rokov. Ďalšou výhodou je, že anóda NTO poskytuje väčšiu bezpečnosť v stresových situáciách v dôsledku ohrevu alebo vŕtania.
Partnerstvo medzi spoločnosťami CBMM a Toshiba predpokladá, že každá zo spoločností investuje 7,2 milióna dolárov do pilotného závodu, ktorý vznikne v japonskej Jokohame, a do dvoch rokov bude vyrábať prvé jednotky na testovanie. „Naším očakávaním je schválenie technológie zákazníkom v roku 2021, čo bude zárukou výstavby výrobnej linky v priemyselnom meradle,“ hovorí Ribas.
Podľa jeho slov ďalší projekt využívania nióbu v batériách realizuje spoločnosť North American Wildcat Discovery Technologies v kalifornskom San Diegu. CBMM je tiež partnerom projektu, ktorého cieľom je použitie nióbu v katóde. Projekt je v počiatočnom štádiu vývoja.
Hľadanie lepšieho výkonu v nabíjateľných batériách pre elektrické vozidlá odráža celosvetové úsilie, ktoré sa začalo pred niekoľkými desaťročiami. Za štúdium v priebehu rokov, ktoré v októbri vyhlásila Kráľovská švédska akadémia vied, bola Nobelova cena za chémiu za rok 2019 udelená americkému matematikovi a fyzikovi Johnovi Bannisterovi Goodenoughovi, britskému chemikovi M. Stanleymu Whittinghamovi a japonskej chemičke Akire Yoshino. 1970 a 1980 a to viedlo k vývoju a komerčnej výrobe moderných lítium-iónových batérií.
Podľa správy Global EV Outlook 2019 zverejnenej Medzinárodnou energetickou agentúrou (IEA) zahŕňajú hlavné prebiehajúce práce zmeny chemických vlastností batérií, ako sú katódy vyrobené z oxidu lítneho a kovové zloženie tvorené s 80% nikel, 10% mangán a 10% kobalt, na rozdiel od súčasných, ktoré majú rovnaký podiel z týchto troch kovov.
Ďalšou líniou vývoja je lítiová katóda s obsahom niklu, kobaltu a oxidu hlinitého, ktorá sa používa iba v malých batériách. Najštudovanejším materiálom na aplikáciu anód je kremíkovo-grafitový kompozit. Automobilový priemysel očakáva výrazný pokrok vo zvyšovaní hustoty energie a znižovaní nákladov do roku 2025.
Celosvetová flotila elektrických automobilov (čistých a hybridných) prekonala v roku 2018 5,1 milióna vozidiel a flotila autobusov podľa IEA dosiahla 460 000 kusov. Očakávanie do roku 2030 zahŕňa scenáre, v ktorých sa vozový park bude pohybovať od 130 do 250 miliónov. V Brazílii dosiahol počet elektrických a hybridných vozidiel v roku 2018 10 600 kusov, vyplýva z údajov Národnej asociácie výrobcov motorových vozidiel (Anfavea). Pre brazílsky trh neexistujú žiadne prognózy, ale očakávanie rozšírenia národnej flotily motivuje spoločnosti k miestnej výrobe lítium-iónových batérií.
Grupo Moura, tradičný výrobca olovených akumulátorov do automobilov, založil vo svojom sídle v Belo Jardim (PE) jednotku pre výskum a vývoj lítiových batérií. Ešte v roku 2019 prichádza na trh prvá verzia pre vysokozdvižné vozíky. Spoločnosť tiež nadviazala partnerstvo s americkou spoločnosťou Xalt Energy, ktorá vlastní technológiu batérií pre ťažké vozidlá, s cieľom v prvom momente obslúžiť trh autobusov. Bola podpísaná zmluva s výrobcom Eletra v São Paule (pozri Pesquisa FAPESP č. 283).
Fernando Castelão, riaditeľ divízie Lítio da Moura, informuje, že spoločnosť prispôsobí batérie Xalt podmienkam používania v Brazílii. Na výrobu tohto produktu je určená nová továreň Moura otvorená v roku 2018. Podľa Castelão si lítium-iónové batérie vyžadujú špeciálne bezpečnostné opatrenia na zabezpečenie dostatočného utesnenia a ochrany pri kontakte s vodou. Na udržanie správnej teploty tiež potrebujú chladiaci systém. „Vozidlá v Brazílii sú vystavené iným klimatickým podmienkam ako v severných krajinách,“ zdôrazňuje výkonný riaditeľ.
V São Paule pracuje spoločnosť Electrocell, spoločnosť sídliaca v Centre pre inovácie, podnikanie a technológie (Cietec) na univerzite v São Paulo (USP), na vývoji lítium-iónových batérií pre automobily od roku 2007, čo je technológia pochádzajúca z projektu súvisiaceho s palivovými článkami. podporované programom FAPESP Pipe. Spoločnosť uzavrela partnerstvo s národným výrobcom vozidiel Brasil VE Superleves so superkompaktným podvozkom inštalovaným v obchodnom parku Anhanguera Business Park v Cajamare (SP), s predpokladom začatia priemyselnej činnosti v decembri. Cieľom je vyrobiť 40 až 200 kusov mesačne medzi dvoj- a štvormiestnymi osobnými vozidlami, mini nákladnými vozidlami a 12- a 24-miestnymi autobusmi.
Chemický inžinier špecializujúci sa na výrobu lítiových batérií v Nemecku, riaditeľ spoločnosti Electrocell Gerhard Ett poukazuje na to, že spoločnosť bude spočiatku dovážať články a integrovať lítiové batérie do krajiny. Prvá dávka bude pochádzať z Nemecka, ale spoločnosť má obchodné kontakty aj v Číne, Spojených štátoch a Južnej Kórei. „Naším cieľom je vykonávať všetku výrobu lokálne. Už máme potrebné technické znalosti a zvládli sme výrobný proces. Potrebujeme iba mierku na spustenie výroby, “hovorí Ett, ktorý je tiež profesorom na Centro Universitário FEI v São Bernardo do Campo (SP).
Pre strojného inžiniera Paula Henrique de Mella Sant'Anu z Centra pre inžinierstvo, modelovanie a aplikované spoločenské vedy na Federálnej univerzite v ABC (Cecs-UFABC) bude doména výroby batérií strategická pre budúcnosť elektrickej mobility. Podľa neho je pre Brazíliu nevyhnutné, aby sa umiestnila ako technologický vývojár a nielen ako kupca hotových výrobkov. „Stále nevieme, či iniciatívy ako CBMM a Toshiba alebo Codemge with Oxis budú mať ekonomickú životaschopnosť a schopnosť zvýšiť výkon súčasných lítiových batérií, ale je vynikajúce, že sa Brazílčania podieľajú na procese vývoja,“ hovorí.
Projekty
- Vývoj vstrekovaných grafitových kompozitov používaných v chemických procesoch (č. 04 / 09113-3); Inovatívny výskum modality v malých spoločnostiach (Pipe); Zodpovedný výskumný pracovník Volkmar Ett (Electrocell); Investícia 601 848,93 R $.
- Vývoj a konštrukcia poloautomatickej montážnej linky na palivové články (č. 04 / 13975-0); Inovatívny výskum modality v malých spoločnostiach (Pipe); Dohoda Finep Pipe-Pappe; Zodpovedný výskumný pracovník Gerhard Ett (Electrocell); Investícia 433 815,72 USD.
- Vývoj palivových článkov integrovaných so softvérom a hardvérom na monitorovanie, diagnostiku, kontrolu a periférie (č. 00 / 13120-4); Inovatívny výskum modality v malých spoločnostiach (Pipe); Zodpovedný výskumný pracovník Gerhard Ett (Electrocell); Investícia 352 705,02 USD.
