Инициативи могат да включат Бразилия в нарастващия пазар на литиеви батерии

Литиевите батерии се използват за съхраняване на енергия в електрически превозни средства, пазар с голямо пространство за разрастване в Бразилия

Литиева батерия

Бразилия скоро може да се присъедини към групата държави, които произвеждат батерии за електрическа мобилност, сегмент, ръководен от Китай, САЩ, Япония и Южна Корея. Поне четири инициативи, включващи национални компании в сътрудничество с чуждестранни компании, са в ход. държава за тази цел. В повечето от тях технологията на батериите е разработена или се разработва от международния партньор.

Един от проектите се ръководи от Компанията за развитие на Минас Жерайс (Codemge), която през 2018 г. сключи споразумение с английската компания Oxis Energy за създаване на първия в света завод за литиево-сярна батерия (Li-S) в света. света. Според Oxis технологията има по-висока производителност и безопасност от литиево-йонните батерии, основното решение, което осигурява пазара на електрически превозни средства.

Традиционният производител на батерии Moura, разработчикът на системи с горивни клетки Electrocell и консорциум, който обединява миньорите на бразилската компания за металургия и добив (CBMM) и японците на Toshiba, също планират да се утвърдят в този сегмент.

Първоначално целта на Oxis Brasil, предприятие, произтичащо от партньорството между Codemge и Oxis Energy, ще бъде сегментът от тежки превозни средства, като автобуси и камиони, и отбранителната и аерокосмическата индустрия, с приложения в безпилотни летателни апарати, сателити и електрически превозни средства за вертикално излитане и кацане (eVTOL).

Планирано да бъде построено в Нова Лима, в столичния регион Бело Оризонти, с инвестиция от 56 милиона щатски долара, фабриката трябва да започне да работи през 2022 г. с годишно производство от 300 хиляди акумулаторни клетки. През втората година очакванията са да достигнат 1,2 милиона единици, половината от общия очакван капацитет. Структурата вече предвижда бъдещо разширяване, което ще позволи годишното производство на 4,8 милиона клетки.

Батерията на превозното средство всъщност представлява набор от малки батерии (наречени клетки), които се интегрират, образуват пакет и се управляват от софтуер, наречен BMS (Battery Management System). За всяко приложение се проектира определен пакет от клетки с последователни и паралелни връзки.

Батерията за автобуси например изисква около 10 000 клетки. Родриго Мескита, управител на звеното за нов бизнес в Codemge, информира, че фабриката няма да се посвети на производството на батерии. Тази функция ще се изпълнява от компании, които интегрират клетки и BMS системи.

Тазгодишната Нобелова награда за химия беше връчена на трима изследователи, които проведоха изследвания, свързани с литиеви батерии

„В процес сме на определяне на партньорите, които ще направят тази интеграция. Надяваме се да привлечем някои от тях в Бразилия “, казва той. Интеграторите трябва да бъдат назначени от бъдещи клиенти на батерии. Сред компаниите, които вече са изразили интерес към оборудването, са бразилският Embraer, северноамериканският Boeing и Lockheed Martin, европейският консорциум Airbus и германските Mercedes-Benz и Porsche.

Технологията за литиево-сярна батерия е разработена от Oxis Energy. Codemge, чрез създадения от него инвестиционен фонд Aerotec, миналата година инвестира 18,6 милиона R $ за 12% дял в Oxis Energy и донесе индустриалния проект в Бразилия, за да уплътни производствената верига на литий в Минас Жерайс. Районът Vale do Jequitinhonha, в североизточната част на щата, се откроява с потенциала да се позиционира като основен производител на руда.

Oxis Brasil ще бъде първата фабрика за производство на литиево-сярна батерия на планетата. Технологията е в процес на разработка в няколко изследователски центъра по света. В Япония Sony работи за създаването на батерии за смартфони с материалите, докато в САЩ Sion Power Corporation разработва литиево-сярна батерия за превозни средства. Това е и целта на проекта Alise, европейски консорциум, сформиран от 16 компании, част от които е Oxis Energy, чийто фокус е разработването на нови материали и разбирането на електрохимичните процеси, свързани с технологията на сярата и лития.

През 2018 г. Бразилия е произвела само 600 тона (т) литий, обем, еквивалентен на около 0,7% от световния пазар. Бразилското производство се извършва от Companhia Brasileira de Lítio (CBL), компания, в която Codemge има дялов дял. Геологическото проучване на Бразилия изчислява, че националните резерви, концентрирани в долината Jequitinhonha, представляват 8% от рудата в света от около 14 милиона тона. Австралия и Чили са най-големите световни производители на литий, съответно с 51 хиляди тона и 16 хиляди тона.

Литият е лек метал с висока енергийна плътност, тоест той е в състояние да концентрира повече енергия в по-малко пространство в сравнение с никел-кадмиевите батерии, използвани в първите мобилни телефони и преносими компютри или конвенционалните автомобилни оловни батерии, използвани за стартирайте двигателя с вътрешно горене (вижте Pesquisa FAPESP nº 258).

Повечето литиево-йонни батерии са изградени с комбинация, при която анодът (отрицателният полюс) е направен от графитен въглерод, докато катодът (положителният полюс) е съставен от литиев оксид и комбинация от метали, която включва никел, манган и кобалт. Електролитът (средата, през която йонните атоми се движат между полюсите) е смес от органични разтворители и литиеви соли.

Valdirene Peressinotto, координатор на проекти за научноизследователска, развойна и иновационна дейност (RD&I) в Codemge, обяснява, че поради използваните материали и производствения процес тази комбинация от материали създава проблеми с безопасността, когато са изложени на стресови ситуации, като например отопление по-горе 45 oC, късо съединение и пробиване, риск, който съществува в случай на сблъсък на превозно средство.

Решението за батерии, създадено от Oxis Energy, предвижда използването на метален литий в анода, заместващ графитния въглерод и комбинация от сяра и въглерод в катода. Компанията разработи собствена технология за катода и електролита. Извършените тестове показват, че тези нови батерии са безопасни, обикновено работят при температури от отрицателни 60 oC до положителни 80 oC и не експлодират при пробиване или в състояние на късо съединение.

В допълнение към безопасността при работа, друго предимство на литиево-сярните батерии е енергийната плътност. Докато литиево-йонните концентрати имат максимум 240 вата-час на килограм (Wh / kg), литиево-сярните запасяват 450 Wh / kg. На практика това прави възможно изграждането на по-малки, по-леки батерии, които осигуряват по-голяма автономност на автомобилите.

Важен факт, отбелязва Peressinotto, е, че литиево-йонните батерии вече са близо до теоретичната си граница на ефективност, докато тези на литиево-сярна все още имат потенциал за развитие във връзка с енергийната плътност. „Oxis очаква да достигне плътност от 550 Wh / kg още през 2020 г.“, информира координаторът на RD&I на Codemge.

Със седалище в Araxá (MG), CBMM е най-големият световен производител на ниобий (вж. Pesquisa FAPESP № 277). През 2018 г. си партнира с Toshiba Corporation, за да създаде нова литиева батерия. Предложението на отдела за научноизследователска и развойна дейност на Toshiba е да се замени въглеродният анод със смесени оксиди на ниобий и титан (NTO), като се запази традиционната конфигурация на литиева и метална сплав на катода.

Според Rogério Marques Ribas, изпълнителен мениджър на батериите в CBMM, докато въглеродният анод реагира на литий и генерира структурен стрес, като 13% увеличение на обема по време на презареждане, NTO има различно поведение. "Тази разлика позволява по-голяма мощност и по-голяма скорост при презареждане", подчертава той.

Сравнявайки две батерии с еднакъв енергиен заряд, докато литиево-йонната версия отнема четири часа за презареждане, NTO версията се нуждае само от 10 минути. Батерията NTO също има издръжливост за използване в превозни средства над 15 години, докато границата, която вече е получена в литиево-йонните батерии, е от пет до 10 години. Друго предимство е, че NTO анодът осигурява по-голяма сигурност в ситуации на стрес поради нагряване или пробиване.

Партньорството между CBMM и Toshiba прогнозира, че всяка от компаниите ще инвестира 7,2 милиона долара в пилотен завод, който се изгражда в Йокохама, Япония, и ще произведе първите устройства за тестване в рамките на две години. „Очакваме технологията да бъде одобрена от клиентите през 2021 г., което ще бъде гаранция за изграждането на производствена линия в индустриален мащаб“, казва Рибас.

Според него друг проект за използване на ниобий в батериите се осъществява от американската Wildcat Discovery Technologies в Сан Диего, Калифорния. CBMM също е партньор в проекта, чиято цел е използването на ниобий в катода. Проектът е в ранен етап на развитие.

Търсенето на по-добра производителност в акумулаторните батерии за електрически превозни средства отразява световното усилие, започнало преди няколко десетилетия. Обявена от Кралската шведска академия на науките през октомври, Нобеловата награда за химия за 2019 г. бе присъдена на американския математик и физик Джон Банистър Гуденоу, британския химик М. Стенли Уитингъм и японския химик Акира Йошино за обучението си през годините 1970 и 1980 г. и това доведе до разработването и търговското производство на модерни литиево-йонни батерии.

Според доклада на Global EV Outlook 2019, публикуван от Международната енергийна агенция (IEA), основната текуща работа днес включва промени в химичните характеристики на батериите, като катоди, изградени от литиев оксид и метален състав, образуван с 80% от никел, 10% манган и 10% кобалт, за разлика от сегашните, които имат равен дял от трите метала.

Друга линия на развитие е тази на литиеви катоди с никел, кобалт и алуминиев оксид, решение, използвано само в малки батерии. Най-изследваният материал за анодно приложение е силициево-графитният композит. Автомобилната индустрия очаква значителен напредък в увеличаването на енергийната плътност и намаляването на разходите до 2025 г.

Глобалният парк от електрически автомобили (чисти и хибридни) надмина 5,1 милиона превозни средства през 2018 г. и автобусният парк достигна 460 000 бройки, според IEA. Очакванията за 2030 г. включват сценарии, при които автопаркът ще варира от 130 милиона до 250 милиона. Според данни на Националната асоциация на производителите на моторни превозни средства (Анфавеа) в Бразилия броят на електрическите и хибридните превозни средства е достигнал 10 600 единици през 2018 г. Няма прогнози за бразилския пазар, но очакването за разширяване на националния флот мотивира компаниите да произвеждат литиево-йонни батерии на местно ниво.

Grupo Moura, традиционен производител на оловно-киселинни акумулаторни батерии, създаде научноизследователска единица за литиеви батерии в седалището си в Belo Jardim (PE). Все още през 2019 г. на пазара пристига първа версия за мотокари. Компанията също така влезе в партньорство с американската компания Xalt Energy, която притежава акумулаторна технология за тежки превозни средства, с цел да обслужва в първия момент автобусния пазар. Подписан е договор с производителя Eletra от Сао Пауло (вж. Pesquisa FAPESP № 283).

Фернандо Кастелао, директор на отдела Lítio da Moura, информира, че компанията ще адаптира батериите Xalt към условията на употреба в Бразилия. Нова фабрика на Moura, открита през 2018 г., е предназначена за производството на артикула. Според Castelão литиево-йонните батерии изискват специални предпазни мерки за осигуряване на адекватно запечатване и защита във връзка с контакт с вода. Те също се нуждаят от охладителна система, за да поддържат правилната температура. "Превозните средства в Бразилия са подложени на климатични условия, различни от тези в северните страни", подчертава изпълнителният директор.

В Сао Пауло, Electrocell, компания, разположена в Центъра за иновации, предприемачество и технологии (Cietec) на Университета в Сао Пауло (USP), работи по разработването на литиево-йонни батерии на превозните средства от 2007 г., технология, произхождаща от проект, свързан с горивни клетки поддържа се от програмата Pipe на FAPESP. Компанията влезе в партньорство с Brasil VE Superleves, национален производител на превозни средства със супер компактно шаси, инсталирано в Parque Empresarial Anhanguera, в Кахамар (SP), с прогноза да започне своята индустриална дейност през декември. Целта е да се произвеждат между 40 и 200 броя на месец, между дву- и четириместни пътнически превозни средства, мини камиони и автобуси с 12 и 24 места.

Химичен инженер, специализиран в производството на литиеви батерии в Германия, директорът на Electrocell Герхард Ет посочва, че първоначално компанията ще внесе клетките и ще направи интеграцията на литиеви батерии в страната. Първата партида ще дойде от Германия, но компанията има и търговски контакти в Китай, САЩ и Южна Корея. „Нашата цел е да извършваме цялото производство на местно ниво. Вече имаме необходимите технически познания и сме усвоили производствения процес. Просто се нуждаем от мащаб, за да започнем производството “, казва Ет, който е и професор в Centro Universitário FEI, в Сао Бернардо до Кампо (SP).

За машинния инженер Пауло Енрике де Мело Сант'Ана от Центъра за инженерство, моделиране и приложни социални науки към Федералния университет на ABC (Cecs-UFABC) областта на производството на батерии ще бъде стратегическа за бъдещето на електрическата мобилност. Според него за Бразилия е от съществено значение да се позиционира като разработчик на технологии, а не просто като купувач на готови продукти. "Все още не знаем дали инициативи като CBMM и Toshiba или Codemge with Oxis ще имат икономическа жизнеспособност и способност да увеличат производителността на настоящите литиеви батерии, но е отлично, че бразилците участват в процеса на разработка," казва той.

Проекти

  1. Разработване на инжектирани графитни композити, приложени в химични процеси (nº 04 / 09113-3); Модалност Иновационни изследвания в малки компании (тръба); Отговорният изследовател Volkmar Ett (Electrocell); Инвестиция R $ 601 848,93.
  2. Разработване и изграждане на полуавтоматична поточна линия за горивни клетки (nº 04 / 13975-0); Модалност Иновационни изследвания в малки компании (тръба); Споразумение Finep Pipe-Pappe; Отговорен изследовател Герхард Ет (Electrocell); Инвестиция R $ 433 815,72.
  3. Разработване на горивни клетки, интегрирани със софтуер и хардуер за наблюдение, диагностика, контрол и периферни устройства (nº 00 / 13120-4); Модалност Иновационни изследвания в малки компании (тръба); Отговорен изследовател Герхард Ет (Electrocell); Инвестиция R $ 352 705,02.