Litiumbatterier används för att lagra energi i elfordon, en marknad med stort utrymme för expansion i Brasilien
Brasilien kan snart gå med i gruppen länder som tillverkar batterier för elektrisk rörlighet, ett segment som leds av Kina, USA, Japan och Sydkorea. Minst fyra initiativ, som involverar nationella företag i samarbete med utländska företag, pågår i land för detta ändamål. I de flesta av dem utvecklades eller utvecklas batteritekniken av den internationella partnern.
Ett av projekten leds av Minas Gerais Development Company (Codemge), som slöt ett avtal 2018 med det engelska företaget Oxis Energy om att utgöra den första anläggningen av litium-svavelbatterieceller (Li-S) i världen. värld. Enligt Oxis har tekniken överlägsen prestanda och säkerhet än litiumjonbatterier, den huvudsakliga lösningen som levererar marknaden för elfordon.
Den traditionella batteritillverkaren Moura, utvecklaren av bränslecellsystem Electrocell och ett konsortium som förenar gruvarbetarna i Brazilian Metallurgy and Mining Company (CBMM) och japanerna från Toshiba planerar också att etablera sig i detta segment.
Först kommer målet för Oxis Brasil, ett åtagande som härrör från partnerskapet mellan Codemge och Oxis Energy, att vara segmentet av tunga fordon, såsom bussar och lastbilar, och försvars- och flygindustrin, med applikationer i drönare, satelliter och elektriska vertikala start- och landningsfordon (eVTOL).
Planerad att byggas i Nova Lima, i storstadsregionen Belo Horizonte, med en investering på 56 miljoner US dollar, bör fabriken börja arbeta 2022 med en årlig produktion på 300 tusen battericeller. Under det andra året är förväntningen att nå 1,2 miljoner enheter, hälften av den totala förväntade kapaciteten. Strukturen förutser redan en framtida expansion, som möjliggör en årlig produktion av 4,8 miljoner celler.
Ett fordonsbatteri är faktiskt en uppsättning små batterier (kallade celler), som är integrerade och bildar ett paket och hanteras av en programvara som heter BMS (Battery Management System). För varje applikation utformas ett specifikt cellpaket med seriella och parallella anslutningar.
Ett batteri för bussar kräver till exempel cirka 10 000 celler. Rodrigo Mesquita, chef för New Business-enheten på Codemge, meddelar att fabriken inte kommer att ägna sig åt att producera batterierna. Denna funktion kommer att utföras av företag som integrerar BMS-celler och system.
Årets Nobelpris i kemi gavs till tre forskare som bedrev forskning relaterade till litiumbatterier”Vi håller på att definiera de partners som ska göra denna integration. Vi hoppas kunna locka några av dem till Brasilien, säger han. Integratorerna måste utses av batteriernas framtida kunder. Bland de företag som redan har uttryckt intresse för utrustningen är brasilianska Embraer, nordamerikanska Boeing och Lockheed Martin, det europeiska konsortiet Airbus och tyska Mercedes-Benz och Porsche.
Litium-svavelbatteriets celler har utvecklats av Oxis Energy. Codemge, genom Aerotec investeringsfond, som skapades av den, investerade förra året 18,6 miljoner dollar för en 12-procentig andel i Oxis Energy och förde industriprojektet till Brasilien för att förtäta produktionskedjan för litium i Minas Gerais. Regionen Vale do Jequitinhonha, i nordöstra delen av staten, sticker ut med potentialen att positionera sig som en stor producent av malmen.
Oxis Brasil kommer att bli den första kommersiella fabriken av litium-svavelbatterier på planeten. Tekniken är under utveckling i flera forskningscentra runt om i världen. I Japan arbetar Sony med att skapa smarttelefonbatterier med materialen, medan Sion Power Corporation i USA utvecklar litiumsvavelbatterier. Detta är också målet för Projeto Alise, ett europeiskt konsortium bildat av 16 företag, som Oxis Energy är en del av, vars fokus är utveckling av nya material och förståelse för de elektrokemiska processerna som är involverade i svavel- och litiumteknik.
År 2018 producerade Brasilien endast 600 ton (t) litium, en volym motsvarande cirka 0,7% av den globala marknaden. Den brasilianska produktionen utfördes av Companhia Brasileira de Lítio (CBL), ett företag där Codemge har andelar. Geologiska undersökningen i Brasilien uppskattar att nationella reserver, koncentrerade i Jequitinhonha-dalen, står för 8% av malmen i världen, cirka 14 miljoner ton. Australien och Chile är de största globala litiumproducenterna med 51 000 ton respektive 16 000 ton.
Litium är en lättmetall med hög energitäthet, det vill säga den kan koncentrera mer energi på ett mindre utrymme jämfört med nickelkadmiumbatterier som används i de första mobiltelefonerna och bärbara datorerna eller de konventionella blybatterierna för bilar som används för starta förbränningsmotorn (se Pesquisa FAPESP nr 258).
De flesta litiumjonbatterier är byggda med en kombination där anoden (negativ pol) är gjord av grafitkol, medan katoden (positiv pol) består av litiumoxid och en blandning av metaller, som inkluderar nickel, mangan och kobolt. Elektrolyten (mediet genom vilket jonatomerna rör sig mellan polerna) är en blandning av organiska lösningsmedel och litiumsalter.
Valdirene Peressinotto, samordnare av forskning, utveckling och innovation (RD&I) på Codemge, förklarar att den här kombinationen av material på grund av det använda materialet och produktionsprocessen utgör säkerhetsproblem när de utsätts för stressiga situationer, såsom uppvärmning ovan 45 oC, kortslutning och borrning, en risk som finns vid en kollision med fordonet.
Batterilösningen som skapats av Oxis Energy möjliggör användning av metalliskt litium vid anoden, som ersätter grafitkol och en kombination av svavel och kol vid katoden. Företaget utvecklade sin egen teknik för katoden och elektrolyten. De utförda testerna indikerar att dessa nya batterier är säkra, de fungerar normalt vid temperaturer från negativa 60 oC till positiva 80 oC och exploderar inte när de punkteras eller i kortslutningstillstånd.
Förutom driftsäkerhet är en annan fördel med litium-svavelbatterier energitätheten. Medan litiumjonkoncentrat har maximalt 240 wattimmar per kilo (Wh / kg) lagrar litium-svavel 450 Wh / kg. I praktiken gör detta det möjligt att bygga mindre, lättare batterier som ger större autonomi för fordon.
Ett viktigt faktum, konstaterar Peressinotto, är att litiumjonbatterier redan är nära deras teoretiska effektivitetsgräns, medan litiumsvavelbatterier fortfarande har potential att utvecklas i förhållande till energitäthet. "Oxis förväntar sig att nå en densitet på 550 Wh / kg redan 2020", informerar Codemges RD&I-koordinator.
CBMM har sitt huvudkontor i Araxá (MG) och är den största globala producenten av niob (se Pesquisa FAPESP nr 277). År 2018 samarbetade det med Toshiba Corporation för att skapa ett nytt litiumbatteri. Förslaget från Toshibas FoU-avdelning är att ersätta kolanoden med blandade oxider av niob och titan (NTO) och bibehålla den traditionella konfigurationen av en litium- och metalllegering vid katoden.
Enligt Rogério Marques Ribas, verkställande chef för batterier på CBMM, medan kolanoden reagerar på litium och genererar strukturell stress, till exempel en volymökning på 13% under laddning, har NTO ett annat beteende. "Denna skillnad möjliggör större kraft och mer snabb laddning", betonar han.
Jämförelse av två batterier med samma energiladdning, medan litiumjonversionen tar fyra timmar att ladda, behöver NTO-versionen bara 10 minuter. NTO-batteriet har också hållbarhet för användning i fordon över 15 år, medan gränsen som redan erhålls för litiumjonbatterier är fem till tio år. En annan fördel är att NTO-anoden ger mer säkerhet i stressituationer på grund av uppvärmning eller borrning.
Partnerskapet mellan CBMM och Toshiba förutspår att var och en av företagen kommer att investera 7,2 miljoner dollar i en pilotanläggning, som byggs i Yokohama, Japan, och kommer att producera de första enheterna för testning inom två år. ”Vår förväntan är att få tekniken godkänd av kunder 2021, vilket kommer att vara garantin för byggandet av en produktionslinje i industriell skala”, säger Ribas.
Enligt honom genomförs ett annat projekt för användning av niob i batterier av American Wildcat Discovery Technologies i San Diego, Kalifornien. CBMM är också en partner i projektet, vars mål är att använda niob i katoden. Projektet är i ett tidigt utvecklingsstadium.
Sökandet efter bättre prestanda för uppladdningsbara batterier för elfordon speglar en världsomspännande insats som började för några decennier sedan. Tillkännagavs av Kungliga Vetenskapsakademien i oktober tilldelades Nobelpriset i kemi 2019 till den amerikanska matematikern och fysikern John Bannister Goodenough, den brittiska kemisten M. Stanley Whittingham och den japanska kemisten Akira Yoshino för sina studier genom åren. 1970 och 1980 och det ledde till utveckling och kommersiell produktion av moderna litiumjonbatterier.
Enligt Global EV Outlook 2019-rapporten som publicerades av International Energy Agency (IEA) handlar det huvudsakliga arbetet som pågår idag om förändringar av de kemiska egenskaperna hos batterier, såsom katoder konstruerade med litiumoxid och en metallkomposition bildad med 80% av nickel, 10% mangan och 10% kobolt, till skillnad från de nuvarande, som har en lika stor andel av de tre metallerna.
En annan utvecklingslinje är litiumkatoder med nickel, kobolt och aluminiumoxid, en lösning som endast används i små batterier. Det mest studerade materialet för anodapplikation är kisel-grafitkomposit. Bilindustrin förväntar sig betydande framsteg när det gäller att öka energitätheten och minska kostnaderna fram till 2025.
Den globala flottan av elbilar (ren och hybrid) översteg 5,1 miljoner fordon 2018 och bussflottan nådde 460 000 enheter, enligt IEA. Förväntningen för 2030 inkluderar scenarier där bilparken varierar från 130 miljoner till 250 miljoner. I Brasilien nådde antalet el- och hybridfordon 10 600 enheter under 2018, enligt uppgifter från National Association of Motor Vehicle Manufacturers (Anfavea). Det finns inga prognoser för den brasilianska marknaden, men förväntningarna på att utvidga den nationella flottan motiverar företag att producera litiumjonbatterier lokalt.
Grupo Moura, en traditionell tillverkare av blybatterier, har etablerat en FoU-enhet för litiumbatterier vid sitt huvudkontor i Belo Jardim (PE). Fortfarande under 2019 kommer en första version för gaffeltruckar på marknaden. Företaget ingick också ett partnerskap med det amerikanska företaget Xalt Energy, som äger batteriteknik för tunga fordon, med målet att i ett första ögonblick betjäna bussmarknaden. Ett kontrakt undertecknades med São Paulo-tillverkaren Eletra (se Pesquisa FAPESP nr 283).
Fernando Castelão, chef för Lítio da Moura Division, informerar om att företaget kommer att anpassa Xalt-batterier till användningsförhållandena i Brasilien. En ny Moura-fabrik som öppnades 2018 är utformad för att producera artikeln. Enligt Castelão kräver litiumjonbatterier speciella säkerhetsåtgärder för att säkerställa adekvat tätning och skydd i samband med kontakt med vatten. De behöver också ett kylsystem för att bibehålla rätt temperatur. "Fordon i Brasilien utsätts för klimatförhållanden som skiljer sig från de nordliga länderna", framhåller verkställande direktören.
I São Paulo har Electrocell, ett företag vid Center for Innovation, Entrepreneurship and Technology (Cietec) vid University of São Paulo (USP), arbetat med utveckling av litiumjonbatterier från fordon sedan 2007, teknik som härrör från ett projekt relaterat till bränsleceller stöds av FAPESPs Pipe-program. Företaget ingick ett partnerskap med Brasil VE Superleves, en nationell fordonstillverkare med superkompakt chassi installerat vid Parque Empresarial Anhanguera, i Cajamar (SP), med en prognos att starta sin industriella verksamhet i december. Målet är att producera mellan 40 och 200 enheter per månad, mellan personbilar med två och fyra platser, minibilar och bussar med 12 och 24 platser.
Kemitekniker som specialiserat sig på tillverkning av litiumbatterier i Tyskland, direktören för Electrocell Gerhard Ett påpekar att företaget initialt kommer att importera cellerna och göra integrationen av litiumbatterier i landet. Den första satsen kommer från Tyskland, men företaget har också kommersiella kontakter i Kina, USA och Sydkorea. ”Vårt mål är att genomföra all produktion lokalt. Vi har redan nödvändig teknisk kunskap och har bemästrat tillverkningsprocessen. Vi behöver bara skala för att starta produktionen, säger Ett, som också är professor vid Centro Universitário FEI, i São Bernardo do Campo (SP).
För maskiningenjör Paulo Henrique de Mello Sant'Ana, från Center for Engineering, Modelling and Applied Social Sciences vid Federal University of ABC (Cecs-UFABC), kommer batteriproduktionens område att vara strategiskt i en framtid med elektrisk mobilitet. Enligt honom är det viktigt för Brasilien att positionera sig som en teknikutvecklare och inte bara en köpare av färdiga produkter. "Vi vet fortfarande inte om initiativ som CBMM och Toshiba eller Codemge med Oxis kommer att ha ekonomisk livskraft och förmåga att öka prestandan hos nuvarande litiumbatterier, men det är utmärkt att brasilianare är inblandade i utvecklingsprocessen", säger han.
Projekt
- Utveckling av injicerade grafitkompositer applicerade i kemiska processer (nr 04 / 09113-3); Modality Innovativ forskning i små företag (Pipe); Ansvarig forskare Volkmar Ett (Electrocell); Investering R $ 601.848,93.
- Utveckling och konstruktion av en halvautomatisk monteringslinje för bränsleceller (nr 04 / 13975-0); Modality Innovativ forskning i små företag (Pipe); Finep Pipe-Pappe-avtalet; Ansvarig forskare Gerhard Ett (Electrocell); Investering 433 815,72 $.
- Utveckling av bränsleceller integrerade med mjukvara och hårdvara för övervakning, diagnos, kontroll och kringutrustning (nr 00 / 13120-4); Modality Innovativ forskning i små företag (Pipe); Ansvarig forskare Gerhard Ett (Electrocell); Investering R $ 352,705.02.
