Lithiumbatterijen worden gebruikt om energie op te slaan in elektrische voertuigen, een markt met veel ruimte voor uitbreiding in Brazilië
Brazilië kan binnenkort toetreden tot de groep landen die batterijen voor elektrische mobiliteit produceren, een segment dat wordt geleid door China, de Verenigde Staten, Japan en Zuid-Korea. Ten minste vier initiatieven, waarbij nationale bedrijven in samenwerking met buitenlandse bedrijven betrokken zijn, zijn gaande in land voor dat doel. In de meeste daarvan is of wordt de batterijtechnologie ontwikkeld door de internationale partner.
Een van de projecten wordt geleid door de Minas Gerais Development Company (Codemge), die in 2018 een overeenkomst sloot met het Engelse Oxis Energy om de eerste fabriek op industriële schaal van lithium-zwavel-batterijcellen (Li-S) ter wereld te bouwen. wereld. De technologie heeft volgens Oxis betere prestaties en veiligheid dan lithium-ionbatterijen, de belangrijkste oplossing voor de markt voor elektrische voertuigen.
De traditionele batterijfabrikant Moura, de ontwikkelaar van brandstofcelsystemen Electrocell en een consortium dat de mijnwerkers van de Braziliaanse Metallurgy and Mining Company (CBMM) en de Japanners van Toshiba verenigt, zijn ook van plan zich in dit segment te vestigen.
In eerste instantie zal Oxis Brasil, een onderneming die voortkomt uit het partnerschap tussen Codemge en Oxis Energy, zich richten op het segment van zware voertuigen, zoals bussen en vrachtwagens, en de defensie- en luchtvaartindustrie, met toepassingen in drones, satellieten en elektrische verticale start- en landingsvoertuigen (eVTOL's).
De fabriek is gepland om te worden gebouwd in Nova Lima, in de Metropoolregio Belo Horizonte, met een investering van US $ 56 miljoen, en zou in 2022 in bedrijf moeten worden genomen met een jaarlijkse productie van 300.000 batterijcellen. In het tweede jaar wordt verwacht 1,2 miljoen eenheden te bereiken, de helft van de totale verwachte capaciteit. De structuur voorziet al een toekomstige uitbreiding, waardoor de jaarlijkse productie van 4,8 miljoen cellen mogelijk zal zijn.
Een voertuigaccu is eigenlijk een set van kleine accu's (cellen genaamd), die zijn geïntegreerd, een pakket vormen en worden beheerd door een software genaamd BMS (Battery Management System). Voor elke toepassing wordt een specifiek pakket cellen ontworpen met seriële en parallelle verbindingen.
Een batterij voor bussen heeft bijvoorbeeld ongeveer 10.000 cellen nodig. Rodrigo Mesquita, manager van de New Business unit bij Codemge, laat weten dat de fabriek zich niet zal wijden aan het produceren van de batterijen. Deze functie wordt vervuld door bedrijven die GBS-cellen en -systemen integreren.
De Nobelprijs voor de Scheikunde is dit jaar toegekend aan drie onderzoekers die onderzoek hebben gedaan naar lithiumbatterijen“We zijn bezig met het definiëren van de partners die deze integratie zullen maken. We hopen een aantal van hen naar Brazilië te lokken ”, zegt hij. De integratoren moeten worden aangesteld door toekomstige batterijklanten. Onder de bedrijven die al interesse hebben getoond in de apparatuur zijn de Braziliaanse Embraer, de Noord-Amerikaanse Boeing en Lockheed Martin, het Europese consortium Airbus en het Duitse Mercedes-Benz en Porsche.
De technologie van lithium-zwavel-batterijcellen is ontwikkeld door Oxis Energy. Codemge investeerde vorig jaar via het Aerotec-investeringsfonds, dat door het fonds werd opgericht, R $ 18,6 miljoen voor een belang van 12% in Oxis Energy en bracht het industriële project naar Brazilië om de productieketen van het lithium in Minas Gerais. De regio Vale do Jequitinhonha, in het noordoosten van de staat, onderscheidt zich door het potentieel om zichzelf te positioneren als een belangrijke producent van het erts.
Oxis Brasil wordt de eerste fabriek op commerciële schaal van lithium-zwavelbatterijen ter wereld. De technologie is in ontwikkeling in verschillende onderzoekscentra over de hele wereld. In Japan werkt Sony eraan om met de materialen smartphonebatterijen te maken, terwijl in de Verenigde Staten Sion Power Corporation lithium-zwavel-autoaccu's ontwikkelt. Dit is ook de doelstelling van het Alise-project, een Europees consortium gevormd door 16 bedrijven, waarvan Oxis Energy deel uitmaakt, dat zich richt op de ontwikkeling van nieuwe materialen en het begrijpen van de elektrochemische processen die betrokken zijn bij zwavel- en lithiumtechnologie.
In 2018 produceerde Brazilië slechts 600 ton (t) lithium, een volume dat overeenkomt met ongeveer 0,7% van de wereldmarkt. De Braziliaanse productie werd uitgevoerd door Companhia Brasileira de Lítio (CBL), een bedrijf waarin Codemge een aandelenbelang heeft. De Geological Survey of Brazil schat dat nationale reserves, geconcentreerd in de Jequitinhonha-vallei, goed zijn voor 8% van het erts in de wereld, ongeveer 14 miljoen ton. Australië en Chili zijn de grootste producenten van lithium ter wereld, met respectievelijk 51 duizend ton en 16 duizend ton.
Lithium is een licht metaal met een hoge energiedichtheid, dat wil zeggen dat het in staat is om meer energie te concentreren in een kleinere ruimte in vergelijking met de nikkel-cadmium-batterijen die worden gebruikt in de eerste mobiele telefoons en notebooks of de conventionele loodzuur-auto die wordt gebruikt voor start de verbrandingsmotor (zie Pesquisa FAPESP nº 258).
De meeste lithium-ionbatterijen zijn gebouwd met een combinatie waarbij de anode (negatieve pool) is gemaakt van grafietkoolstof, terwijl de kathode (positieve pool) is gemaakt van lithiumoxide en een metaalmengsel, waaronder nikkel, mangaan en kobalt. De elektrolyt (het medium waardoor de ionatomen tussen de polen bewegen) is een mengsel van organische oplosmiddelen en lithiumzouten.
Valdirene Peressinotto, coördinator van onderzoeks-, ontwikkelings- en innovatieprojecten (RD&I) bij Codemge, legt uit dat deze combinatie van materialen vanwege de gebruikte materialen en het productieproces veiligheidsproblemen oplevert bij blootstelling aan stressvolle situaties, zoals verhitting boven 45 oC, kortsluiting en boren, een risico dat bestaat bij een aanrijding met een voertuig.
De batterijoplossing van Oxis Energy voorziet in het gebruik van metallisch lithium aan de anode, ter vervanging van grafietkoolstof en een combinatie van zwavel en koolstof aan de kathode. Het bedrijf ontwikkelde zijn eigen technologie voor de kathode en elektrolyt. Uit de uitgevoerde tests blijkt dat deze nieuwe batterijen veilig zijn, normaal werken bij temperaturen variërend van -60 oC tot positief 80 oC en niet exploderen bij lekke banden of kortsluiting.
Naast bedrijfsveiligheid is een ander voordeel van lithium-zwavelbatterijen de energiedichtheid. Terwijl lithium-ionconcentraten maximaal 240 wattuur per kilo (Wh / kg) hebben, slaat lithium-zwavel 450 Wh / kg op. In de praktijk maakt dit het mogelijk om kleinere, lichtere batterijen te bouwen, die voertuigen meer autonomie geven.
Een belangrijk feit, merkt Peressinotto op, is dat lithium-ionbatterijen al dicht bij hun theoretische efficiëntielimiet zitten, terwijl lithium-zwavelbatterijen nog steeds potentieel hebben voor evolutie in relatie tot energiedichtheid. "Oxis verwacht al in 2020 een dichtheid van 550 Wh / kg te bereiken", vertelt Codemge's RD & I-coördinator.
CBMM, met hoofdkantoor in Araxá (MG), is de grootste wereldwijde producent van niobium (zie Pesquisa FAPESP nr. 277). In 2018 werkte het samen met Toshiba Corporation om een nieuwe lithiumbatterij te maken. Het voorstel van de R & D-afdeling van Toshiba is om de koolstofanode te vervangen door gemengde oxiden van niobium en titanium (NTO), waarbij de traditionele configuratie van een lithium- en metaallegering aan de kathode behouden blijft.
Volgens Rogério Marques Ribas, uitvoerend manager van batterijen bij CBMM, terwijl de koolstofanode reageert op lithium en structurele spanning genereert, zoals een toename van 13% in volume tijdens het opladen, gedraagt de NTO zich anders. "Dit verschil zorgt voor meer vermogen en meer snelheid bij het opladen", benadrukt hij.
Vergelijking van twee accu's met dezelfde energielading, terwijl de lithium-ionversie vier uur nodig heeft om op te laden, heeft de NTO-versie slechts 10 minuten nodig. De NTO-batterij heeft ook een duurzaamheid voor gebruik in voertuigen van meer dan 15 jaar, terwijl de limiet die al wordt bereikt in lithium-ionbatterijen vijf tot tien jaar is. Een ander voordeel is dat de NTO-anode meer zekerheid biedt in situaties van stress door verhitting of boren.
De samenwerking tussen CBMM en Toshiba voorspelt dat elk van de bedrijven $ 7,2 miljoen zal investeren in een proeffabriek, die wordt gebouwd in Yokohama, Japan, en binnen twee jaar de eerste testunits zal produceren. “Onze verwachting is dat de technologie in 2021 door klanten is goedgekeurd, wat de garantie zal zijn voor de bouw van een productielijn op industriële schaal”, zegt Ribas.
Volgens hem wordt een ander project voor het gebruik van niobium in batterijen uitgevoerd door de Noord-Amerikaanse Wildcat Discovery Technologies, in San Diego, Californië. CBMM is ook partner in het project, met als doel het gebruik van niobium in de kathode. Het project bevindt zich in een vroege ontwikkelingsfase.
De zoektocht naar betere prestaties in oplaadbare batterijen voor elektrische voertuigen weerspiegelt een wereldwijde inspanning die enkele decennia geleden begon. De Nobelprijs voor scheikunde 2019, aangekondigd door de Koninklijke Zweedse Academie van Wetenschappen in oktober, werd toegekend aan de Amerikaanse wiskundige en natuurkundige John Bannister Goodenough, de Britse scheikundige M.Stanley Whittingham en de Japanse scheikundige Akira Yoshino voor hun jarenlange studies. 1970 en 1980 en dat leidde tot de ontwikkeling en commerciële productie van moderne lithium-ionbatterijen.
Volgens het Global EV Outlook 2019-rapport dat is gepubliceerd door het Internationaal Energieagentschap (IEA), betreft het belangrijkste werk dat momenteel wordt uitgevoerd veranderingen in de chemische eigenschappen van batterijen, zoals kathodes die zijn gemaakt met lithiumoxide en een metallische samenstelling gevormd met 80% van nikkel, 10% mangaan en 10% kobalt, in tegenstelling tot de huidige, die een gelijk aandeel van de drie metalen hebben.
Een andere ontwikkelingslijn is die van lithiumkathoden met nikkel, kobalt en aluminiumoxide, een oplossing die alleen in kleine batterijen wordt gebruikt. Het meest bestudeerde materiaal voor anodetoepassing is het silicium-grafietcomposiet. De auto-industrie verwacht tegen 2025 aanzienlijke vooruitgang bij het verhogen van de energiedichtheid en het verlagen van de kosten.
De wereldwijde vloot van elektrische auto's (puur en hybride) overtrof 5,1 miljoen voertuigen in 2018 en de busvloot bereikte 460.000 eenheden, aldus het IEA. De verwachting voor 2030 omvat scenario's waarin het wagenpark varieert van 130 miljoen tot 250 miljoen. In Brazilië bereikte het aantal elektrische en hybride voertuigen in 2018 10.600 eenheden, volgens gegevens van de National Association of Automotive Vehicle Manufacturers (Anfavea). Voor de Braziliaanse markt zijn er geen prognoses, maar de verwachting van uitbreiding van de nationale vloot motiveert bedrijven om lokaal lithium-ionbatterijen te produceren.
Grupo Moura, een traditionele fabrikant van loodzuuraccu's voor voertuigen, heeft een R & D-eenheid voor lithiumbatterijen opgericht op het hoofdkantoor in Belo Jardim (PE). In 2019 komt er een eerste versie heftrucks op de markt. Het bedrijf ging ook een partnerschap aan met het Amerikaanse bedrijf Xalt Energy, dat eigenaar is van batterijtechnologie voor zware voertuigen, met als doel om op een eerste moment de busmarkt te bedienen. Er werd een contract getekend met de fabrikant Eletra uit São Paulo (zie Pesquisa FAPESP nº 283).
Fernando Castelão, directeur van de Lítio da Moura-divisie, deelt mee dat het bedrijf Xalt-batterijen zal aanpassen aan de gebruiksomstandigheden in Brazilië. Een nieuwe Moura-fabriek die in 2018 werd geopend, is ontworpen om het artikel te produceren. Volgens Castelão vereisen lithium-ionbatterijen speciale veiligheidsmaatregelen om te zorgen voor voldoende afdichting en bescherming in verband met contact met water. Ze hebben ook een koelsysteem nodig om de juiste temperatuur te behouden. "Voertuigen in Brazilië worden blootgesteld aan andere klimatologische omstandigheden dan in de landen van het noorden", benadrukt de uitvoerende macht.
In São Paulo werkt Electrocell, een bedrijf dat is gehuisvest in het Centrum voor Innovatie, Ondernemerschap en Technologie (Cietec) van de Universiteit van São Paulo (USP), sinds 2007 aan de ontwikkeling van lithium-ionbatterijen voor voertuigen, technologie die voortkomt uit een project met betrekking tot brandstofcellen ondersteund door het Pipe-programma van FAPESP. Het bedrijf ging een partnerschap aan met Brasil VE Superleves, een nationale voertuigfabrikant met supercompact chassis geïnstalleerd in Parque Empresarial Anhanguera, in Cajamar (SP), met de verwachting dat het in december zijn industriële activiteit zal starten. Het doel is om tussen de 40 en 200 eenheden per maand te produceren, tussen twee- en vierzits personenauto's, minitrucks en bussen met 12 en 24 zitplaatsen.
De directeur van Electrocell Gerhard Ett, een chemisch ingenieur die gespecialiseerd is in de productie van lithiumbatterijen in Duitsland, wijst erop dat het bedrijf in eerste instantie de cellen zal importeren en de integratie van lithiumbatterijen in het land zal uitvoeren. De eerste batch komt uit Duitsland, maar het bedrijf heeft ook commerciële contacten in China, de Verenigde Staten en Zuid-Korea. “Ons doel is om alle productie lokaal uit te voeren. We hebben al de nodige technische kennis en beheersen het fabricageproces. We hebben alleen schaal nodig om de productie te starten ”, zegt Ett, die ook professor is aan het Centro Universitário FEI, in São Bernardo do Campo (SP).
Voor werktuigbouwkundig ingenieur Paulo Henrique de Mello Sant'Ana, van het Centrum voor Engineering, Modellering en Toegepaste Sociale Wetenschappen aan de Federale Universiteit van ABC (Cecs-UFABC), zal het domein van de batterijproductie strategisch zijn in een toekomst van elektrische mobiliteit. Volgens hem is het essentieel dat Brazilië zich positioneert als technologieontwikkelaar en niet alleen als koper van kant-en-klare producten. "We weten nog steeds niet of initiatieven zoals CBMM en Toshiba of Codemge met Oxis economisch haalbaar zullen zijn en de prestaties van de huidige lithiumbatterijen kunnen verbeteren, maar het is uitstekend dat Brazilianen bij het ontwikkelingsproces worden betrokken", zegt hij.
Projecten
- Ontwikkeling van geïnjecteerde grafietcomposieten toegepast in chemische processen (nº 04 / 09113-3); Modaliteit Innovatief onderzoek in kleine bedrijven (pijp); Verantwoordelijk onderzoeker Volkmar Ett (Electrocell); Investering R $ 601.848,93.
- Ontwikkeling en bouw van een halfautomatische assemblagelijn voor brandstofcellen (nº 04 / 13975-0); Modaliteit Innovatief onderzoek in kleine bedrijven (pijp); Finep Pipe-Pappe-overeenkomst; Verantwoordelijke onderzoeker Gerhard Ett (Electrocell); Investering R $ 433.815,72.
- Ontwikkeling van brandstofcellen geïntegreerd met software en hardware voor bewaking, diagnose, controle en randapparatuur (nº 00 / 13120-4); Modaliteit Innovatief onderzoek in kleine bedrijven (pijp); Verantwoordelijke onderzoeker Gerhard Ett (Electrocell); Investering R $ 352.705,02.
