Pobude lahko Brazilijo uvrstijo na rastoči trg litijevih baterij

Litijeve baterije se uporabljajo za shranjevanje energije v električnih vozilih, na trgu z velikim prostorom za širitev v Braziliji

Litijeva baterija

Brazilija se lahko kmalu pridruži skupini držav, ki izdelujejo baterije za električno mobilnost, segmentu, ki ga vodijo Kitajska, ZDA, Japonska in Južna Koreja. V teku so vsaj štiri pobude, ki vključujejo nacionalna podjetja v sodelovanju s tujimi v ta namen. V večini jih je baterijsko tehnologijo razvil ali jo razvija mednarodni partner.

Enega od projektov vodi Minas Gerais Development Company (Codemge), ki je leta 2018 z angleškim podjetjem Oxis Energy sklenil sporazum o ustanovitvi prve tovarne litij-žveplovih baterijskih celic (Li-S) na svetu. svetu. Po mnenju Oxisa ima tehnologija večjo zmogljivost in varnost kot litij-ionske baterije, glavna rešitev, ki oskrbuje trg električnih vozil.

V tem segmentu se nameravajo uveljaviti tudi tradicionalni proizvajalec baterij Moura, razvijalec sistemov gorivnih celic Electrocell in konzorcij, ki združuje rudarje brazilskega metalurškega in rudarskega podjetja (CBMM) ter Japonci Toshibe.

Sprva bo cilj Oxis Brasil, podjetja, ki je rezultat partnerstva med Codemge in Oxis Energy, segment težkih vozil, kot so avtobusi in tovornjaki, ter obrambna in vesoljska industrija z aplikacijami v brezpilotnih letalih, satelitih in električna vozila za navpični vzlet in pristanek (eVTOL).

Načrtovana gradnja v Novi Limi v metropolitanski regiji Belo Horizonte z naložbo 56 milijonov ameriških dolarjev naj bi tovarna začela obratovati leta 2022 z letno proizvodnjo 300 tisoč baterijskih celic. V drugem letu naj bi pričakovali 1,2 milijona enot, kar je polovica celotne pričakovane zmogljivosti. Struktura že predvideva prihodnjo širitev, ki bo omogočila letno proizvodnjo 4,8 milijona celic.

Akumulator v vozilu je pravzaprav niz majhnih baterij (imenovanih celice), ki so integrirane, tvorijo paket in jih upravlja programska oprema, imenovana BMS (Battery Management System). Za vsako aplikacijo je zasnovan poseben paket celic s serijskimi in vzporednimi povezavami.

Na primer, baterija za avtobuse zahteva približno 10.000 celic. Rodrigo Mesquita, vodja enote New Business v podjetju Codemge, sporoča, da se tovarna ne bo posvetila proizvodnji baterij. To funkcijo bodo izvajala podjetja, ki integrirajo celice in sisteme BMS.

Letošnjo Nobelovo nagrado za kemijo so prejeli trije raziskovalci, ki so izvajali raziskave, povezane z litijevimi baterijami

»V procesu smo določitve partnerjev, ki bodo izvedli to integracijo. Upamo, da bomo nekatere od njih privabili v Brazilijo, «pravi. Integratorje morajo imenovati bodoče stranke baterij. Med podjetji, ki so že izrazila zanimanje za opremo, so brazilski Embraer, severnoameriški Boeing in Lockheed Martin, evropski konzorcij Airbus ter nemška Mercedes-Benz in Porsche.

Tehnologijo litij-žveplovih baterijskih celic je razvil Oxis Energy. Codemge je prek investicijskega sklada Aerotec, ki ga je ustanovil, lani vložil 18,6 milijona R $ za 12-odstotni delež v podjetju Oxis Energy in industrijski projekt pripeljal v Brazilijo, da bi zgostil proizvodno verigo litij v Minas Geraisu. Regija Vale do Jequitinhonha na severovzhodu države izstopa s potencialom, da se postavi kot glavni proizvajalec rude.

Oxis Brasil bo prva tovarna litij-žveplovih baterij na svetu. Tehnologija je v razvoju v več raziskovalnih središčih po vsem svetu. Na Japonskem Sony ustvarja baterije za pametne telefone z materiali, medtem ko v ZDA Sion Power Corporation razvija litij-žveplove baterije za vozila. To je tudi cilj projekta Alise, evropskega konzorcija, ki ga je ustanovilo 16 podjetij, katerih del je Oxis Energy, katerega poudarek je na razvoju novih materialov in razumevanju elektrokemijskih procesov, povezanih z žveplovo in litijevo tehnologijo.

Leta 2018 je Brazilija proizvedla le 600 ton (l) litija, kar ustreza približno 0,7% svetovnega trga. Brazilsko proizvodnjo je izvajala družba Companhia Brasileira de Lítio (CBL), v kateri ima Codemge lastniški delež. Geološki zavod v Braziliji ocenjuje, da nacionalne rezerve, skoncentrirane v dolini Jequitinhonha, predstavljajo 8% rude na svetu, približno 14 milijonov ton. Avstralija in Čile sta največji svetovni proizvajalki litija z 51 tisoč t in 16 tisoč t.

Litij je lahka kovina z visoko energijsko gostoto, to je sposoben koncentrirati več energije v manjšem prostoru v primerjavi z nikelj-kadmijevimi baterijami, uporabljenimi v prvih mobilnih telefonih in prenosnikih, ali običajnimi avtomobilskimi svinčeno-kislinskimi baterijami, ki se uporabljajo za zaženite motor z notranjim zgorevanjem (glejte Pesquisa FAPESP št. 258).

Večina litij-ionskih baterij je izdelanih s kombinacijo, pri kateri je anoda (negativni pol) izdelana iz grafitnega ogljika, katoda (pozitivni pol) pa je iz litijevega oksida in kovinske mešanice, ki vključuje nikelj, mangana in kobalta. Elektrolit (medij, skozi katerega se ioni atomov premikajo med polovi) je mešanica organskih topil in litijevih soli.

Valdirene Peressinotto, koordinatorica raziskav, razvoja in inovacij (RD&I) pri podjetju Codemge, pojasnjuje, da ta kombinacija materialov zaradi uporabljenih materialov in proizvodnega procesa predstavlja varnostne težave, kadar so izpostavljeni stresnim situacijam, kot je ogrevanje zgoraj 45 oC, kratek stik in vrtanje, nevarnost v primeru trka vozila.

Baterijska rešitev, ki jo je ustvaril Oxis Energy, predvideva uporabo kovinskega litija na anodi, ki nadomešča grafitni ogljik in kombinacijo žvepla in ogljika na katodi. Podjetje je razvilo lastno tehnologijo za katodo in elektrolit. Izvedeni testi so pokazali, da so te nove baterije varne, običajno delujejo pri temperaturah od negativnih 60 oC do pozitivnih 80 oC in ne eksplodirajo, ko so predrte ali v kratkem stiku.

Poleg varnosti pri obratovanju je še ena prednost litij-žveplovih baterij tudi gostota energije. Medtem ko imajo litij-ionski koncentrati največ 240 vatov na uro na kilogram (Wh / kg), litij-žveplo shrani 450 Wh / kg. V praksi to omogoča izdelavo manjših, lažjih baterij, ki vozilom zagotavljajo večjo avtonomijo.

Pomembno dejstvo, ugotavlja Peressinotto, je, da so litij-ionske baterije že blizu teoretične meje izkoristka, medtem ko imajo litij-žveplene še vedno potencial za razvoj glede na gostoto energije. "Oxis pričakuje, da bo gostota 550 Wh / kg dosegla že leta 2020," obvešča Codemgeov koordinator za raziskave in razvoj.

CBMM je s sedežem v Araxá (MG) največji svetovni proizvajalec niobija (glej Pesquisa FAPESP št. 277). Leta 2018 je v sodelovanju s korporacijo Toshiba ustvaril novo litijevo baterijo. Predlog oddelka za raziskave in razvoj družbe Toshiba je zamenjava ogljikove anode z mešanimi oksidi niobija in titana (NTO), pri čemer se ohrani tradicionalna konfiguracija litijeve in kovinske zlitine na katodi.

Po besedah ​​Rogéria Marquesa Ribasa, izvršnega direktorja baterij pri CBMM, medtem ko ogljikova anoda reagira na litij in ustvarja strukturne obremenitve, na primer 13-odstotno povečanje prostornine med polnjenjem, ima NTO drugačno vedenje. "Ta razlika omogoča večjo moč in večjo hitrost polnjenja," poudarja.

Če primerjamo dve bateriji z enakim nabojem energije, medtem ko litij-ionska različica napolni štiri ure, različica NTO potrebuje le 10 minut. NTO baterija je tudi trpežna za uporabo v vozilih, starejših od 15 let, medtem ko je meja, ki jo že dobimo pri litij-ionskih baterijah, od pet do deset let. Druga prednost je, da anoda NTO zagotavlja večjo varnost v stresnih situacijah zaradi ogrevanja ali vrtanja.

V partnerstvu med CBMM in Toshibo napovedujejo, da bo vsako podjetje v pilotno tovarno, ki jo gradijo v Jokohami na Japonskem, vložilo 7,2 milijona dolarjev in bo prve enote za testiranje izdelalo v dveh letih. "Pričakujemo, da bodo kupci leta 2021 odobrili tehnologijo, ki bo zagotovilo za gradnjo proizvodne linije v industrijskem obsegu," pravi Ribas.

Po njegovem mnenju še en projekt za uporabo niobija v baterijah izvaja severnoameriška organizacija Wildcat Discovery Technologies iz San Diega v Kaliforniji. CBMM je tudi partner v projektu, katerega cilj je uporaba niobija v katodi. Projekt je v zgodnji fazi razvoja.

Iskanje boljših zmogljivosti polnilnih baterij za električna vozila je odraz svetovnega prizadevanja, ki se je začelo pred nekaj desetletji. Nobelovo nagrado za kemijo 2019 so razglasili Kraljevska švedska akademija znanosti, ameriški matematik in fizik John Bannister Goodenough, britanski kemik M. Stanley Whittingham in japonski kemik Akira Yoshino za študije, ki so jih opravili v preteklih letih. 1970 in 1980, kar je privedlo do razvoja in komercialne proizvodnje sodobnih litij-ionskih baterij.

Glede na poročilo Global EV Outlook 2019, ki ga je objavila Mednarodna agencija za energijo (IEA), danes glavno delo vključuje spremembe kemijskih lastnosti baterij, kot so katode, izdelane iz litijevega oksida in kovinske sestave, ki tvori 80% nikelj, 10% mangana in 10% kobalta, za razliko od sedanjih, ki imajo enak delež treh kovin.

Druga smer razvoja je litijeva katoda z nikljem, kobaltom in aluminijevim oksidom, raztopino, ki se uporablja samo v majhnih baterijah. Najbolj preučen material za nanašanje anod je silikon-grafitni kompozit. Avtomobilska industrija pričakuje pomemben napredek pri povečanju gostote energije in zmanjšanju stroškov do leta 2025.

Po poročanju IEA je svetovna flota električnih avtomobilov (čistih in hibridnih) v letu 2018 presegla 5,1 milijona vozil, avtobusni park pa je dosegel 460.000 enot. Pričakovanja za leto 2030 vključujejo scenarije, v katerih se bo avtomobilski park gibal od 130 do 250 milijonov. Po podatkih Nacionalnega združenja proizvajalcev avtomobilskih vozil (Anfavea) je v Braziliji leta 2018 število električnih in hibridnih vozil doseglo 10.600 enot. Za brazilski trg ni napovedi, vendar pričakovanje širitve nacionalne flote motivira podjetja za lokalno proizvodnjo litij-ionskih baterij.

Grupo Moura, tradicionalni proizvajalec svinčevih akumulatorjev za vozila, je na svojem sedežu v ​​Belo Jardimu (PE) ustanovil enoto za raziskave in razvoj litijeve baterije. Še vedno v letu 2019 na trg prihaja prva različica za viličarje. Družba je prav tako sklenila partnerstvo z ameriško družbo Xalt Energy, ki ima v lasti baterijsko tehnologijo za težka vozila, s ciljem, da v prvem trenutku postreže z avtobusnim trgom. Podpisana je bila pogodba s proizvajalcem Eletra iz Sao Paola (glej Pesquisa FAPESP št. 283).

Fernando Castelão, direktor oddelka Lítio da Moura, sporoča, da bo podjetje baterije Xalt prilagodilo pogojem uporabe v Braziliji. Nova tovarna Moura, odprta leta 2018, je zasnovana za izdelavo izdelka. Po Castelãou litij-ionske baterije zahtevajo posebne varnostne ukrepe, da se zagotovi primerno tesnjenje in zaščita v stiku z vodo. Za vzdrževanje pravilne temperature potrebujejo tudi hladilni sistem. "Vozila v Braziliji so podvržena podnebnim razmeram, ki se razlikujejo od pogojev severnih držav," poudarja direktor.

V Sao Paulu družba Electrocell, ki je nastanjena v Centru za inovacije, podjetništvo in tehnologijo (Cietec) Univerze v Sao Paulu (USP), že od leta 2007 dela na razvoju litij-ionskih baterij za vozila, tehnologija izvira iz projekta, povezanega z gorivnimi celicami. podprt s programom FAPESP Pipe. Podjetje je sklenilo partnerstvo z Brasil VE Superleves, nacionalnim proizvajalcem vozil s superkompaktnim podvozjem, nameščenim v poslovnem parku Anhanguera v Cajamarju (SP), z napovedjo, da bo industrijsko dejavnost začel decembra. Cilj je izdelati med 40 in 200 enot na mesec, med dvo- in štirisedežnimi osebnimi vozili, mini tovornjaki in 12- in 24-sedežnimi avtobusi.

Kemijski inženir, specializiran za proizvodnjo litijevih baterij v Nemčiji, direktor Electrocell Gerhard Ett poudarja, da bo podjetje sprva uvažalo celice in v državo vključilo litijeve baterije. Prva serija bo prišla iz Nemčije, podjetje pa ima tudi komercialne stike na Kitajskem, v ZDA in Južni Koreji. “Naš cilj je, da vso proizvodnjo izvajamo lokalno. Že imamo potrebno tehnično znanje in obvladamo postopek izdelave. Za začetek proizvodnje potrebujemo le obseg, «pravi Ett, ki je tudi profesor na Centro Universitário FEI, v Sao Bernardo do Campo (SP).

Za strojnega inženirja Paula Henriqueja de Mello Sant'Ana iz Centra za inženiring, modeliranje in uporabne družbene vede na Zvezni univerzi ABC (Cecs-UFABC) bo področje proizvodnje baterij v prihodnosti električne mobilnosti strateško. Po njegovem mnenju je za Brazilijo nujno, da se postavi kot razvijalec tehnologije in ne le kot kupec že pripravljenih izdelkov. "Še vedno ne vemo, ali bodo pobude, kot so CBMM in Toshiba ali Codemge z Oxisom, ekonomsko upravičene in sposobne povečati delovanje sedanjih litijevih baterij, vendar je odlično, da so Brazilci vključeni v razvojni proces," pravi.

Projekti

  1. Razvoj vbrizganih grafitnih kompozitov, ki se uporabljajo v kemijskih procesih (nº 04 / 09113-3); Inovativne raziskave modalnosti v malih podjetjih (cev); Odgovorni raziskovalec Volkmar Ett (Electrocell); Naložbe 601.848,93 R $.
  2. Razvoj in gradnja polavtomatskega montažnega voda za gorivne celice (nº 04 / 13975-0); Inovativne raziskave modalnosti v malih podjetjih (cev); Sporazum Finep Pipe-Pappe; Odgovorni raziskovalec Gerhard Ett (Electrocell); Naložbe 433.815,72 R $.
  3. Razvoj gorivnih celic, integriranih s programsko in strojno opremo za spremljanje, diagnostiko, nadzor in zunanje naprave (nº 00 / 13120-4); Inovativne raziskave modalnosti v malih podjetjih (cev); Odgovorni raziskovalec Gerhard Ett (Electrocell); Naložbe R $ 352.705,02.