lovesouthernsocial.com

Litijumske baterije se koriste za skladištenje energije u električnim vozilima, tržištu sa velikim prostorom za širenje u Brazilu

Brazil bi uskoro mogao da se pridruži grupi zemalja koje proizvode baterije za električnu mobilnost, segmentu koji predvode Kina, SAD, Japan i Južna Koreja. U zemlji su u toku najmanje četiri inicijative, koje uključuju domaće kompanije u saradnji sa stranim tu svrhu. U većini njih baterijsku tehnologiju je ili je razvijao međunarodni partner.

Jedan od projekata vodi Razvojna kompanija Minas Gerais (Codemge), koja je 2018. godine potpisala ugovor sa engleskom kompanijom Oxis Energy o osnivanju prve industrijske fabrike litijum-sumpornih (Li-S) baterijskih ćelija u regionu. svet. Tehnologija, prema Oxis-u, ima performanse i sigurnost superiorne u odnosu na litijum-jonske baterije, glavno rešenje koje snabdeva tržište električnih vozila.

Tradicionalni proizvođač baterija Moura, programer sistema gorivnih ćelija Electrocell i konzorcijum koji okuplja rudare iz Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineração (CBMM) i Japance iz Toshibe takođe planiraju da se afirmišu u ovom segmentu.

U početku, cilj Oxis Brasil, poduhvata koji je rezultat partnerstva Codemge-a i Oxis Energy-a, biće segment teških vozila, kao što su autobusi i kamioni, i odbrambena i vazduhoplovna industrija, sa primenama u bespilotnim letelicama, satelitima i vertikalnim električna vozila za poletanje i sletanje (eVTOL).

Planirana da se izgradi u Novoj Limi, u Metropolitan regiji Belo Horizonte, uz investiciju od 56 miliona dolara, fabrika bi trebalo da počne sa radom 2022. godine sa godišnjom proizvodnjom od 300 hiljada baterijskih ćelija. U drugoj godini očekuje se dostizanje 1,2 miliona jedinica, što je polovina očekivanog ukupnog kapaciteta. Struktura već predviđa buduće proširenje, koje će omogućiti godišnju proizvodnju od 4,8 miliona ćelija.

Baterija vozila je zapravo skup malih baterija (zvanih ćelije), koje su integrisane, čineći paket, i kojima upravlja softver koji se zove BMS (Battery Management System ili sistem za upravljanje baterijom). Za svaku primenu je dizajniran poseban paket ćelija sa serijskim i paralelnim vezama.

Baterija za autobuse, na primer, zahteva oko 10.000 ćelija. Rodrigo Mesquita, menadžer Codemge-ove nove poslovne jedinice, obaveštava da fabrika neće biti posvećena proizvodnji baterija. Ovu funkciju će obavljati kompanije koje integrišu ćelije i BMS sisteme.

Ovogodišnju Nobelovu nagradu za hemiju dobila su tri istraživača koji su sproveli istraživanje u vezi sa litijumskim baterijama

„U procesu smo definisanja partnera koji će sprovesti ovu integraciju. Nadamo se da ćemo neke od njih privući u Brazil”, kaže on. Integratore bi trebalo da nominuju budući kupci baterija. Među kompanijama koje su već pokazale interesovanje za opremu su brazilski Embraer, severnoamerički Boing i Lokid Martin, evropski konzorcijum Erbas i nemački Mercedes-Benz i Porše.

Tehnologiju ćelija litijum-sumporne baterije razvio je Oxis Energy. Codemge je preko investicionog fonda Aerotec, koji je on stvorio, prošle godine uložio 18,6 miliona R$ za 12% udela u Oxis Energy-u i doveo industrijski projekat u Brazil kako bi zgusnuo lanac proizvodnje litijuma u Minas Žeraisu. Region Vale do Jequitinhonha, na severoistoku države, pojavljuje se sa potencijalom da se pozicionira kao veliki proizvođač rude.

Oxis Brasil će biti prva komercijalna fabrika za litijum-sumporne baterije na planeti. Tehnologija je u razvoju u nekoliko istraživačkih centara širom sveta. U Japanu, Sony radi na stvaranju baterija za pametne telefone od materijala, dok u Sjedinjenim Državama Sion Power Corporation razvija litijum-sumporne baterije za vozila. Ovo je i cilj Projeto Alise, evropskog konzorcijuma sastavljenog od 16 kompanija, čiji je deo Oxis Energy, čiji je fokus razvoj novih materijala i razumevanje elektrohemijskih procesa uključenih u tehnologiju sumpora i litijuma.

Brazil je 2018. proizveo samo 600 tona (t) litijuma, što je zapremina koja je ekvivalentna oko 0,7% globalnog tržišta. Brazilsku proizvodnju je izvela Companhia Brasileira de Litio (CBL), kompanija u kojoj Codemge ima udeo u kapitalu. Geološki zavod Brazila procenjuje da nacionalne rezerve, koncentrisane u dolini Jequitinhonha, čine 8% svetske rude, oko 14 miliona tona. Australija i Čile su najveći svetski proizvođači litijuma, sa 51.000 t odnosno 16.000 t.

Litijum je lak metal sa velikom gustinom energije, odnosno sposoban je da koncentriše više energije u manjem prostoru u poređenju sa nikl-kadmijum baterijama koje su korišćene u prvim mobilnim telefonima i notebook računarima ili konvencionalnim automobilima sa olovnom kiselinom korišćenim za aktivirati motor vozila sa unutrašnjim sagorevanjem (videti Pesquisa FAPESP br. 258).

Većina litijum-jonskih baterija je napravljena kombinacijom u kojoj je anoda (negativni pol) napravljena od grafitnog ugljenika, dok je katoda (pozitivni pol) napravljena od litijum oksida i mešavine metala, što uključuje nikl, mangan i kobalt. Elektrolit (medijum kojim se atomi jona kreću između polova) je mešavina organskih rastvarača i litijumovih soli.

Valdirene Peressinotto, koordinator projekata istraživanja, razvoja i inovacija (RD&I) u Codemgeu, objašnjava da, zbog upotrebljenih materijala i procesa proizvodnje, ova kombinacija materijala predstavlja bezbednosne probleme kada je izložena stresnim situacijama, kao što je zagrevanje iznad 45 oC, kratak spoj i perforacija, rizik koji postoji u slučaju sudara vozila.

Rešenje za baterije koje je kreirao Oxis Energy predviđa upotrebu metalnog litijuma u anodi, zamenjujući grafitni ugljenik i kombinaciju sumpora i ugljenika u katodi. Kompanija je razvila sopstvenu tehnologiju za katodu i elektrolit. Sprovedeni testovi pokazuju da su ove nove baterije bezbedne, normalno funkcionišu na temperaturama u rasponu od minus 60oC do minus 80oC i da ne eksplodiraju kada su probušene ili u uslovima kratkog spoja.

Pored sigurnosti u radu, još jedna prednost litijum-sumpornih baterija je gustina energije. Dok litijum-jonske baterije koncentrišu maksimalno 240 vat-časova po kilogramu (Wh/kg), litijum-sumporne baterije skladište 450 Wh/kg. U praksi, ovo omogućava pravljenje manjih, lakših baterija koje pružaju vozilima veću autonomiju.

Važna činjenica, primećuje Peresinoto, jeste da su litijum-jonski već blizu svoje teorijske granice efikasnosti, dok litijum-sumporni još uvek imaju potencijal evolucije u odnosu na gustinu energije. „Oxis očekuje da će dostići gustinu od 550 Wh/kg do 2020. godine“, obaveštava Codemgeov RD&I koordinator.

Sa sedištem u Araksi (MG), CBMM je najveći svetski proizvođač niobijuma (vidi Pesquisa FAPESP br. 277). Godine 2018. udružio se sa Toshiba Corporation kako bi napravio novu litijumsku bateriju. Predlog Toshibinog odeljenja za istraživanje i razvoj je da se ugljenična anoda zameni mešanim oksidima niobijuma i titanijuma (NTO), zadržavajući tradicionalnu konfiguraciju legure litijumskog metala na katodi.

Prema Rogeriju Markesu Ribasu, izvršnom menadžeru baterija u CBMM, dok ugljenična anoda reaguje na litijum i generiše strukturalni stres, kao što je povećanje zapremine od 13% tokom punjenja, NTO se ponaša drugačije. „Ova razlika omogućava veću snagu i brže punjenje“, naglašava on.

Upoređujući dve baterije sa istim energetskim punjenjem, dok je litijum-jonskoj verziji potrebno četiri sata da se napuni, NTO verziji je potrebno samo 10 minuta. NTO baterija takođe ima trajnost za upotrebu u vozilima preko 15 godina, dok je ograničenje koje je već dobijeno kod litijum-jonske baterije pet do 10 godina. Još jedna prednost je što NTO anoda pruža veću sigurnost u situacijama stresa usled zagrevanja ili bušenja.

Partnerstvo između CBMM i Toshibe zahteva od svake kompanije da uloži 7,2 miliona dolara u pilot postrojenje, koje se gradi u Jokohami, u Japanu, i koje će proizvesti prve jedinice za testiranje u roku od dve godine. „Naše očekivanje je da 2021. godine kupci odobre tehnologiju, što će biti garancija za izgradnju proizvodne linije u industrijskom obimu“, kaže Ribas.

Prema njegovim rečima, još jedan projekat korišćenja niobijuma u baterijama sprovodi North American Wildcat Discovery Technologies, u San Dijegu u Kaliforniji. CBMM je takođe partner u projektu, čiji je cilj upotreba niobijuma u katodi. Projekat je u početnoj fazi razvoja.

Potraga za boljim performansama punjivih baterija za električna vozila odražava svetski napor koji je započeo pre nekoliko decenija. Nobelova nagrada za hemiju koju je objavila Kraljevska švedska akademija nauka u oktobru 2019. dodeljena je američkom matematičaru i fizičaru Džonu Banisteru Gudenuu, britanskom hemičaru M. Stenliju Vitingemu i japanskom hemičaru Akiri Jošinu za studije tokom 1970. i 1980. dovela do razvoja i komercijalne proizvodnje savremenih litijum-jonskih baterija.

Prema izveštaju Global EV Outlook 2019 koji je objavila Međunarodna agencija za energiju (IEA), glavni posao koji je danas u toku uključuje promene u hemijskim karakteristikama baterija, kao što su katode napravljene od litijum oksida i metalnog sastava formiranog od 80% nikla. , 10% mangana i 10% kobalta, za razliku od sadašnjih, koji imaju podjednak udeo tri metala.

Druga linija razvoja su litijumske katode sa niklom, kobaltom i aluminijum oksidom, rešenje koje se koristi samo u malim baterijama. Najproučavaniji materijal za primenu u anodama je kompozit silicijum-grafit. Auto industrija očekuje značajan napredak u povećanju gustine energije i smanjenju troškova do 2025. godine.

Globalna flota električnih automobila (čistih i hibridnih) premašila je 5,1 milion vozila u 2018, a autobuska flota je dostigla 460.000 jedinica, prema IEA. Očekivanje za 2030. uključuje scenarije u kojima će se vozni park kretati od 130 miliona do 250 miliona. U Brazilu je broj električnih i hibridnih vozila dostigao 10,6 hiljada jedinica u 2018, prema podacima Nacionalne asocijacije proizvođača automobilskih vozila (Anfavea). Ne postoje projekcije za brazilsko tržište, ali očekivanje proširenja nacionalne flote motiviše kompanije da proizvode litijum-jonske baterije lokalno.

Grupo Moura, tradicionalni proizvođač olovnih akumulatora za vozila, osnovao je jedinicu za istraživanje i razvoj litijumskih baterija u svom sedištu u Belo Jardimu (PE). Još 2019. godine, prva verzija za viljuškare stiže na tržište. Kompanija je takođe ušla u partnerstvo sa američkim Xalt Energy, nosiocem tehnologije baterija za teška vozila, sa ciljem da opslužuje, u početku, tržište autobusa. Potpisan je ugovor sa proizvođačem Eletra iz Sao Paula (vidi Pesquisa FAPESP br. 283).

Fernando Kastelao, direktor odeljenja za litijum u Mouri, obaveštava da će kompanija prilagoditi Xalt baterije uslovima korišćenja u Brazilu. Nova fabrika Moura otvorena 2018. dizajnirana je za proizvodnju ovog predmeta. Prema Castelaou, litijum-jonske baterije zahtevaju posebne mere predostrožnosti kako bi se obezbedilo adekvatno zaptivanje i zaštita od kontakta sa vodom. Takođe im je potreban sistem hlađenja da bi održali ispravnu temperaturu. „Vozila u Brazilu su podložna klimatskim uslovima drugačijim od onih u severnim zemljama“, ističe izvršna vlast.

U Sao Paulu, Electrocell, kompanija koja se nalazi u Centru za inovacije, preduzetništvo i tehnologiju (Cietec) Univerziteta u Sao Paulu (USP), radi na razvoju litijum-jonskih baterija za vozila od 2007. godine, tehnologija koja proizlazi iz projekat vezan za gorive ćelije podržan od strane FAPESP-ovog Pipe programa. Kompanija je sklopila partnerstvo sa Brasil VE Superleves, nacionalnim montažerom vozila sa super-kompaktnom šasijom instaliranom u poslovnom parku Anhanguera, u Cajamaru (SP), i očekuje se da će svoju industrijsku aktivnost započeti u decembru. Cilj je da se mesečno proizvodi između 40 i 200 jedinica, uključujući putnička vozila sa dva i četiri sedišta, mini kamione i autobuse sa 12 i 24 sedišta.

Hemijski inženjer specijalizovan za proizvodnju litijumskih baterija u Nemačkoj, direktor Electrocell Gerhard Ett ističe da će kompanija u početku uvoziti ćelije i integrisati litijumske baterije u zemlji. Prva serija će doći iz Nemačke, ali kompanija ima i komercijalne kontakte u Kini, Sjedinjenim Državama i Južnoj Koreji.“Cilj nam je da svu proizvodnju vršimo lokalno. Već imamo potrebna tehnička znanja i savladali smo proces proizvodnje. Samo nam je potreban obim da bismo pokrenuli proizvodnju“, kaže Et, koji je takođe profesor u FEI univerzitetskom centru u Sao Bernardo do Kampu (SP).

Za mašinskog inženjera Paula Henriquea de Mello Sant’Ana, iz Centra za inženjerstvo, modeliranje i primenjene društvene nauke na Federalnom univerzitetu ABC (Cecs-UFABC), ovladavanje proizvodnjom baterija biće strateško u budućnosti električne mobilnosti. Prema njegovim rečima, neophodno je da se Brazil pozicionira kao razvijač tehnologije, a ne samo kao kupac gotovih proizvoda. „Još uvek ne znamo da li će inicijative kao što su CBMM i Toshiba ili Codemge sa Oxisom imati ekonomsku održivost i sposobnost da povećaju performanse trenutnih litijumskih baterija, ali je odlično što su Brazilci uključeni u proces razvoja“, izjavljuje on.

Projekti

1. Razvoj injektiranih grafitnih kompozita primenjenih u hemijskim procesima (br. 04/09113-3); Modalitet Inovativno istraživanje u malim preduzećima (Pipe); Odgovorni istraživač Volkmar Ett (Electrocell); Investicija 601.848,93 R$.
2. Razvoj i izgradnja poluautomatske linije za sklapanje gorivih ćelija (br. 04/13975-0); Modalitet Inovativno istraživanje u malim preduzećima (Pipe); Finep Pipe-Pappe sporazum; Odgovorni istraživač Gerhard Ett (Electrocell); Investicija 433,815,72 R$.
3. Razvoj gorivih ćelija integrisanih sa softverom i hardverom za nadzor, dijagnostiku, kontrolu i periferne uređaje (br. 00/13120-4); Modalitet Inovativno istraživanje u malim preduzećima (Pipe); Odgovorni istraživač Gerhard Ett (Electrocell); Investicija 352.705,02 R$.

---