lovesouthernsocial.com

Литиевые батареи используются для хранения энергии в электромобилях - рынке Бразилии, у которого есть большие возможности для расширения.

Бразилия может вскоре присоединиться к группе стран, производящих аккумуляторы для электромобилей, сегменту, возглавляемому Китаем, США, Японией и Южной Кореей. В стране реализуются как минимум четыре инициативы с участием национальных компаний в сотрудничестве с иностранными. эта цель. В большинстве из них аккумуляторная технология была разработана или разрабатывается международным партнером.

Один из проектов возглавляет компания Minas Gerais Development (Codemge), которая в 2018 году подписала соглашение с английской компанией Oxis Energy о создании первого промышленного завода по производству литий-серных (Li-S) аккумуляторных элементов в регионе. мир. По словам Oxis, эта технология по своим характеристикам и безопасности превосходит литий-ионные аккумуляторы - основное решение, поставляемое на рынок электромобилей.

Традиционный производитель аккумуляторов Moura, разработчик систем топливных элементов Electrocell и консорциум, объединяющий горняков из Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineração (CBMM) и японцев из Toshiba, также планируют закрепиться в этом сегменте.

Сначала целью Oxis Brasil, предприятия, возникшего в результате партнерства между Codemge и Oxis Energy, будет сегмент тяжелых транспортных средств, таких как автобусы и грузовики, а также оборонная и аэрокосмическая промышленность с приложениями в дронах, спутниках и вертикальных транспортных средствах. взлетно-посадочные электромобили (eVTOLs).

Завод, который планируется построить в Нова Лима, в столичном регионе Белу-Оризонти, с инвестициями в размере 56 миллионов долларов США, завод должен начать работу в 2022 году с годовым производством 300 тысяч аккумуляторных элементов. Ожидается, что во второй год вырастет до 1,2 миллиона единиц, что составляет половину ожидаемой общей мощности. Структура уже предусматривает будущее расширение, которое позволит производить 4,8 миллиона ячеек в год.

Батарея транспортного средства на самом деле представляет собой набор небольших батарей (называемых элементами), которые объединены, образуют пакет и управляются программным обеспечением под названием BMS (система управления батареями или система управления батареями). Для каждого приложения разработан специальный пакет ячеек с последовательными и параллельными соединениями.

Например, аккумулятор для автобусов требует около 10 000 ячеек. Родриго Мескита, менеджер подразделения New Business Codemge, сообщает, что завод не будет заниматься производством батарей. Эту функцию будут выполнять компании, которые интегрируют ячейки и системы BMS.

В этом году Нобелевская премия по химии была вручена трем исследователям, проводившим исследования, связанные с литиевыми батареями.

«Мы находимся в процессе определения партнеров, которые будут осуществлять эту интеграцию. Мы надеемся привлечь некоторых из них в Бразилию », - говорит он. Интеграторы должны быть назначены будущими покупателями батарей. Среди компаний, которые уже проявили интерес к оборудованию, - бразильские Embraer, североамериканские Boeing и Lockheed Martin, европейский консорциум Airbus и немецкие Mercedes-Benz и Porsche.

Литий-серные аккумуляторные батареи были разработаны Oxis Energy. Codemge через созданный ею инвестиционный фонд Aerotec в прошлом году инвестировала 18,6 млн реалов в приобретение 12% акций Oxis Energy и перенесла промышленный проект в Бразилию, чтобы расширить производственную цепочку лития в штате Минас-Жерайс. Регион Вале-ду-Жекитиньонья на северо-востоке штата может позиционировать себя как крупный производитель руды.

Oxis Brasil станет первым промышленным заводом по производству литий-серных батарей на планете. Технология разрабатывается в нескольких исследовательских центрах по всему миру. В Японии Sony работает над созданием аккумуляторов для смартфонов из материалов, а в Соединенных Штатах Sion Power Corporation разрабатывает литий-серные автомобильные аккумуляторы. Это также цель Projeto Alise, европейского консорциума, состоящего из 16 компаний, частью которых является Oxis Energy, чья деятельность сосредоточена на разработке новых материалов и понимании электрохимических процессов, связанных с серной и литиевой технологией.

В 2018 году Бразилия произвела всего 600 тонн (т) лития, что эквивалентно примерно 0,7% мирового рынка. Бразильское производство осуществлялось Companhia Brasileira de Litio (CBL), компанией, в которой Codemge имеет долю в капитале. По оценкам Геологической службы Бразилии, национальные запасы, сосредоточенные в долине Жекитинхонья, составляют 8% мировой руды, около 14 миллионов тонн. Австралия и Чили являются крупнейшими производителями лития в мире: 51 000 т и 16 000 т соответственно.

Литий - это легкий металл с высокой плотностью энергии, то есть он способен концентрировать больше энергии в меньшем пространстве по сравнению с никель-кадмиевыми батареями, используемыми в первых сотовых телефонах и ноутбуках или в обычных свинцово-кислотных автомобилях, используемых для активировать двигатель автомобиля внутреннего сгорания (см. Pesquisa FAPESP № 258).

Большинство литий-ионных батарей построены с комбинацией, в которой анод (отрицательный полюс) изготовлен из графита, а катод (положительный полюс) изготовлен из оксида лития и смеси металлов, в которую входят никель, марганец и кобальт. Электролит (среда, в которой атомы ионов перемещаются между полюсами) представляет собой смесь органических растворителей и солей лития.

Валдирене Пересинотто, координатор проектов исследований, разработок и инноваций (RD&I) в Codemge, объясняет, что из-за используемых материалов и производственного процесса такая комбинация материалов создает проблемы безопасности при воздействии стрессовых ситуаций, таких как нагрев выше 45 ° C, короткое замыкание и перфорация - опасность, которая существует в случае столкновения автомобиля.

Решение для аккумуляторов, созданное Oxis Energy, предусматривает использование металлического лития в аноде, заменяющее графитовый углерод, и сочетание серы и углерода в катоде. Компания разработала собственную технологию катода и электролита. Проведенные испытания показывают, что эти новые батареи безопасны, нормально работают при температурах от минус 60 ° C до минус 80 ° C и не взрываются при прокалывании или коротком замыкании.

Помимо безопасности эксплуатации, еще одним преимуществом литий-серных аккумуляторов является удельная энергия. В то время как литий-ионные батареи концентрируют максимум 240 ватт-часов на килограмм (Втч / кг), литий-серные аккумуляторы хранят 450 Втч / кг. На практике это позволяет создавать меньшие и более легкие батареи, которые обеспечивают большую автономность транспортных средств.

Важным фактом, отмечает Перессинотто, является то, что литий-ионные аккумуляторы уже близки к своему теоретическому пределу эффективности, в то время как литий-серные все еще имеют потенциал эволюции в зависимости от плотности энергии. «Oxis рассчитывает достичь плотности 550 Втч / кг к 2020 году», - сообщает координатор исследований и разработок Codemge.

Компания CBMM со штаб-квартирой в Араксе (штат Мегаполис) является крупнейшим мировым производителем ниобия (см. Pesquisa FAPESP № 277). В 2018 году он сотрудничал с Toshiba Corporation, чтобы создать новую литиевую батарею. Отдел исследований и разработок Toshiba предлагает заменить угольный анод смешанными оксидами ниобия и титана (NTO), сохранив традиционную конфигурацию сплава металлического лития в катоде.

По словам Роджерио Маркеса Рибаса, исполнительного директора по аккумуляторным батареям CBMM, в то время как угольный анод реагирует на литий и создает структурные напряжения, такие как увеличение объема на 13% во время перезарядки, NTO ведет себя по-другому. «Эта разница обеспечивает большую мощность и более быструю перезарядку», - подчеркивает он.

Сравнивая две батареи с одинаковым зарядом энергии, в то время как литий-ионная версия заряжается четыре часа, версии NTO требуется всего 10 минут. Аккумулятор NTO также имеет срок службы для использования в транспортных средствах более 15 лет, в то время как предел, уже достигнутый для литий-ионных аккумуляторов, составляет от пяти до 10 лет. Еще одно преимущество состоит в том, что анод NTO обеспечивает большую безопасность в ситуациях напряжения из-за нагрева или сверления.

Партнерство между CBMM и Toshiba требует от каждой из компаний инвестировать 7,2 миллиона долларов США в пилотный завод, который строится в Иокогаме, Япония, и выпустит первые блоки для испытаний в течение двух лет. «Мы ожидаем, что технология будет одобрена клиентами в 2021 году, что станет гарантией строительства производственной линии в промышленных масштабах», - говорит Рибас.

По его словам, еще один проект по использованию ниобия в батареях реализует североамериканская компания Wildcat Discovery Technologies в Сан-Диего, штат Калифорния. CBMM также является партнером проекта, целью которого является использование ниобия в катоде. Проект находится в начальной стадии разработки.

Поиск лучших характеристик аккумуляторных батарей для электромобилей отражает глобальные усилия, которые начались несколько десятилетий назад. Нобелевская премия по химии 2019 года, объявленная Шведской королевской академией наук в октябре, была присуждена американскому математику и физику Джону Баннистеру Гуденафу, британскому химику М. Стэнли Уиттингему и японскому химику Акире Йошино за их исследования в 1970 и 1980 годах. привело к разработке и коммерческому производству современных литий-ионных аккумуляторов.

Согласно отчету Global EV Outlook 2019, опубликованному Международным энергетическим агентством (МЭА), основная работа, которая ведется сегодня, связана с изменениями химических характеристик батарей, таких как катоды, изготовленные из оксида лития, и металлический состав, состоящий из 80% никеля. , 10% марганца и 10% кобальта, в отличие от нынешних, которые имеют равную долю трех металлов.

Еще одно направление развития - литиевые катоды с никелем, кобальтом и оксидом алюминия, раствор, используемый только в небольших батареях. Наиболее изученным материалом для применения в анодах является кремний-графитовый композит. Автомобильная промышленность ожидает значительного прогресса в повышении плотности энергии и сокращении затрат к 2025 году.

По данным МЭА, мировой парк электромобилей (чистых и гибридных) в 2018 году превысил 5,1 миллиона автомобилей, а автобусный парк достиг 460000 единиц. Ожидание до 2030 года включает сценарии, в которых парк автомобилей будет составлять от 130 миллионов до 250 миллионов. По данным Национальной ассоциации производителей автомобилей (Anfavea), в Бразилии в 2018 году количество электромобилей и гибридных автомобилей достигло 10,6 тысячи единиц. Нет никаких прогнозов относительно бразильского рынка, но ожидание расширения национального парка мотивирует компании производить литий-ионные батареи на местном уровне.

Grupo Moura, традиционный производитель свинцовых автомобильных аккумуляторов, создала отдел исследований и разработок литиевых аккумуляторов в своей штаб-квартире в Белу-Жардиме (PE). Тем не менее в 2019 году на рынок выходит первая версия для вилочных погрузчиков. Компания также вступила в партнерство с американской Xalt Energy, держателем аккумуляторных технологий для тяжелых транспортных средств, с целью обслуживания, в первую очередь, автобусного рынка. Был подписан контракт с производителем Eletra из Сан-Паулу (см. Pesquisa FAPESP № 283).

Фернандо Кастелан, директор литиевого подразделения Moura, сообщает, что компания адаптирует батареи Xalt к условиям использования в Бразилии. Новая фабрика Moura, открытая в 2018 году, предназначена для производства этого изделия. По словам Кастелана, литий-ионные батареи требуют особых мер безопасности, чтобы обеспечить надлежащую герметизацию и защиту от контакта с водой. Им также нужна система охлаждения для поддержания правильной температуры. «Транспортные средства в Бразилии подвержены климатическим условиям, отличным от климатических условий в северных странах», - подчеркивает исполнительный директор.

В Сан-Паулу компания Electrocell, расположенная в Центре инноваций, предпринимательства и технологий (Cietec) Университета Сан-Паулу (USP), с 2007 года работает над разработкой литий-ионных аккумуляторов для транспортных средств. проект, связанный с топливными элементами, поддержанный программой FAPESP Pipe. Компания вступила в партнерские отношения с Brasil VE Superleves, национальным сборщиком автомобилей с суперкомпактным шасси, установленным в бизнес-парке Anhanguera в Кахамаре (SP), и, как ожидается, начнет свою производственную деятельность в декабре. Планируется производить от 40 до 200 единиц в месяц, включая двух- и четырехместные легковые автомобили, мини-грузовики и автобусы на 12 и 24 места.

Инженер-химик, специализирующийся на производстве литиевых батарей в Германии, директор Electrocell Герхард Этт указывает, что первоначально компания будет импортировать элементы и интегрировать литиевые батареи в стране. Первая партия будет из Германии, но у компании также есть коммерческие контакты в Китае, США и Южной Корее. «Наша цель - осуществлять все производство на месте. У нас уже есть необходимые технические знания и освоен производственный процесс. Нам просто нужен масштаб, чтобы начать производство », - говорит Этт, который также является профессором университетского центра FEI в Сан-Бернарду-ду-Кампу (SP).

По мнению инженера-механика Пауло Энрике де Мелло Сант’Ана из Центра инженерии, моделирования и прикладных социальных наук Федерального университета ABC (Cecs-UFABC), освоение производства аккумуляторов будет иметь стратегическое значение в будущем электромобильности. По его словам, Бразилии важно позиционировать себя как разработчик технологий, а не просто покупатель готовой продукции. «Мы до сих пор не знаем, будут ли такие инициативы, как CBMM и Toshiba или Codemge с Oxis, иметь экономическую жизнеспособность и возможность повысить производительность существующих литиевых батарей, но прекрасно, что бразильцы участвуют в процессе разработки», - заявляет он.

Проекты

1. Разработка инжектируемых графитовых композитов, применяемых в химических процессах (№ 04 / 09113-3); Модальность инновационных исследований в малом бизнесе (Pipe); Ответственный исследователь Фолькмар Этт (Электроэлемент); Инвестиции 601 848,93 реалов.
2. Разработка и строительство полуавтоматической линии сборки топливных элементов (№ 04 / 13975-0); Модальность инновационных исследований в малом бизнесе (Pipe); Соглашение Finep Pipe-Pappe; Ответственный исследователь Герхард Этт (Электроэлемент); Инвестиции 433 815,72 реалов.
3. Разработка топливных элементов, интегрированных с программным и аппаратным обеспечением для мониторинга, диагностики, управления и периферийными устройствами (№ 00 / 13120-4); Модальность инновационных исследований в малом бизнесе (Pipe); Ответственный исследователь Герхард Этт (Электроэлемент); Инвестиции 352 705,02 реалов.

---