lovesouthernsocial.com

Літієві батареї використовуються для накопичення енергії в електричних транспортних засобах, ринок з великим потенціалом для розширення в Бразилії

Бразилія незабаром може приєднатися до групи країн, що виробляють акумулятори для електромобільних батарей, сегменту, який очолюють Китай, США, Японія та Південна Корея. У країні впроваджуються щонайменше чотири ініціативи, за участю національних компаній у співпраці з іноземними. цю мету. У більшості з них технологія батареї була або розробляється міжнародним партнером.

Один із проектів очолює компанія Minas Gerais Development Company (Codemge), яка у 2018 році підписала угоду з англійською компанією Oxis Energy про створення першого промислового заводу літій-сірчаних (Li-S) акумуляторних елементів у регіоні. світ. За даними Oxis, ця технологія за продуктивністю та безпекою перевершує літій-іонні акумулятори, головне рішення, яке постачає ринок електромобілів.

Виробник традиційних акумуляторів Moura, розробник систем паливних елементів Electrocell і консорціум, який об’єднує шахтарів з Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineração (CBMM) і японців з Toshiba, також планують закріпитися в цьому сегменті.

Спочатку метою Oxis Brasil, підприємства, що є результатом партнерства між Codemge та Oxis Energy, буде сегмент важких транспортних засобів, таких як автобуси та вантажівки, а також оборонна та аерокосмічна промисловість із застосуванням у безпілотниках, супутниках та вертикальній електромобілі зльоту та посадки (eVTOL).

Завод, який планується побудувати в місті Нова Ліма, в столичному регіоні Белу-Орізонті, з інвестиціями в 56 мільйонів доларів США, має розпочати роботу в 2022 році з річним виробництвом 300 тисяч акумуляторних елементів. У другому році очікується досягти 1,2 мільйона одиниць, що становить половину очікуваної загальної потужності. Структура вже передбачає майбутнє розширення, яке дозволить щорічно виробляти 4,8 мільйона клітин.

Акумулятор транспортного засобу — це насправді набір невеликих батарей (так звані елементами), які об’єднані, утворюючи пакет, і керуються програмним забезпеченням, яке називається BMS (система керування акумулятором або система керування акумулятором). Для кожного застосування розроблено спеціальний пакет осередків з послідовним і паралельним підключенням.

Для батареї для автобусів, наприклад, потрібно близько 10 000 елементів. Родріго Мескіта, керівник підрозділу New Business Codemge, повідомляє, що фабрика не буде займатися виробництвом батарей. Цю функцію виконуватимуть компанії, що інтегрують клітини та системи BMS.

Цього року Нобелівську премію з хімії отримали три дослідники, які проводили дослідження, пов’язані з літієвими батареями.

«Ми знаходимося в процесі визначення партнерів, які будуть здійснювати цю інтеграцію. Ми сподіваємось залучити деяких із них до Бразилії», – каже він. Інтеграторів мають призначати майбутні клієнти акумуляторів. Серед компаній, які вже виявили інтерес до техніки, бразильські Embraer, північноамериканські Boeing і Lockheed Martin, європейський консорціум Airbus і німецькі Mercedes-Benz і Porsche.

Технологія літій-сірчаної батареї була розроблена компанією Oxis Energy. Codemge через створений нею інвестиційний фонд Aerotec минулого року інвестував 18,6 мільйонів реалів в 12% акцій Oxis Energy і привіз промисловий проект до Бразилії, щоб потовстити ланцюг виробництва літію в Мінас-Жерайсі. Регіон Vale do Jequitinhonha, на північному сході штату, з’являється з потенціалом позиціонувати себе як великий виробник руди.

Oxis Brasil стане першою фабрикою в комерційному масштабі з виробництва літій-сірчаних акумуляторів на планеті. Технологія розробляється в кількох дослідницьких центрах по всьому світу. У Японії Sony працює над створенням акумуляторів для смартфонів із цих матеріалів, а в США Sion Power Corporation розробляє літій-сірчані акумулятори для транспортних засобів. Це також є метою Projeto Alise, європейського консорціуму, що складається з 16 компаній, частиною якого є Oxis Energy, який фокусується на розробці нових матеріалів і розумінні електрохімічних процесів, пов’язаних з технологією сірки та літію.

У 2018 році Бразилія виробила лише 600 тонн (т) літію, що еквівалентно приблизно 0,7% світового ринку. Бразильське виробництво було здійснено Companhia Brasileira de Litio (CBL), компанією, в якій Codemge має частку. За оцінками Геологічної служби Бразилії, національні запаси, зосереджені в долині Жекітінхоня, становлять 8% світової руди, близько 14 мільйонів тонн. Найбільшими світовими виробниками літію є Австралія та Чилі, які мають відповідно 51 000 т та 16 000 т.

Літій є легким металом з високою щільністю енергії, тобто він здатний концентрувати більше енергії в меншому просторі в порівнянні з нікель-кадмієвими батареями, які використовувалися в перших мобільних телефонах і ноутбуках або звичайних свинцево-кислотних автомобілях, активувати двигун автомобіля внутрішнього згоряння (див. Pesquisa FAPESP № 258).

Більшість літій-іонних акумуляторів побудовані з комбінацією, в якій анод (негативний полюс) зроблений з вуглецю графіту, а катод (позитивний полюс) виготовлений з оксиду літію та суміші металів, яка включає нікель, марганець і кобальт. Електроліт (середовище, за допомогою якого атоми іонів переміщуються між полюсами) являє собою суміш органічних розчинників і солей літію.

Valdirene Peressinotto, координатор проектів досліджень, розробок та інновацій (RD&I) у Codemge, пояснює, що завдяки використаним матеріалам та виробничому процесу ця комбінація матеріалів створює проблеми з безпекою під час впливу стресових ситуацій, таких як нагрівання вище 45 oC, коротке замикання та перфорація, ризик, який існує в разі зіткнення транспортного засобу.

Рішення батареї, створене Oxis Energy, передбачає використання металевого літію в аноді, заміну графітового вуглецю, а також комбінацію сірки та вуглецю в катоді. Компанія розробила власну технологію для катода та електроліту. Проведені випробування показали, що ці нові батареї безпечні, нормально працюють при температурах від мінус 60oC до мінус 80oC і не вибухають при проколах або короткому замиканні.

Крім безпеки експлуатації, ще однією перевагою літій-сірчаних акумуляторів є щільність енергії. У той час як літій-іонні батареї концентрують максимум 240 Вт-год на кілограм (Вт-год/кг), літій-сірчані акумулятори зберігають 450 Вт-год/кг. На практиці це дає можливість створювати менші, легші батареї, які забезпечують транспортні засоби більшої автономності.

Важливим фактом, зауважує Перессінотто, є те, що літій-іонні вже близькі до своєї теоретичної межі ефективності, а літій-сірчані все ще мають потенціал еволюції щодо щільності енергії. «Oxis очікує досягти щільності 550 Вт·год/кг до 2020 року», – повідомляє координатор RD&I Codemge.

CBMM зі штаб-квартирою в Араксі (MG) є найбільшим світовим виробником ніобію (див. Pesquisa FAPESP № 277). У 2018 році компанія співпрацювала з Toshiba Corporation для створення нової літієвої батареї. Пропозиція відділу досліджень і розробок Toshiba полягає в заміні вуглецевого анода на змішані оксиди ніобію і титану (NTO), зберігаючи традиційну конфігурацію сплаву металу літію в катоді.

За словами Рожеріо Маркеса Рібаса, виконавчого менеджера з батарей у CBMM, в той час як вугільний анод реагує на літій і створює структурну напругу, наприклад, збільшення обсягу на 13% під час перезарядки, NTO поводиться по-різному. «Ця різниця забезпечує більшу потужність і швидшу перезарядку», — підкреслює він.

Якщо порівняти дві батареї з однаковою енергією, тоді як літій-іонній версії для підзарядки потрібно чотири години, версії NTO потрібно лише 10 хвилин. Батарея NTO також має довговічність для використання в транспортних засобах понад 15 років, тоді як межа, яка вже отримана для літій-іонної батареї, становить від 5 до 10 років. Ще однією перевагою є те, що анод NTO забезпечує більшу безпеку в ситуаціях напруги через нагрівання або свердління.

Партнерство між CBMM і Toshiba передбачає, що кожна з компаній інвестує 7,2 мільйона доларів США в пілотний завод, який будується в Йокогамі, Японія, і випустить перші пристрої для тестування протягом двох років. «Ми очікуємо, що технологія буде схвалена замовниками у 2021 році, що стане гарантією будівництва виробничої лінії в промислових масштабах», – каже Рібас.

За його словами, в Сан-Дієго, Каліфорнія, компанія North American Wildcat Discovery Technologies реалізує ще один проект з використання ніобію в батареях. CBMM також є партнером проекту, метою якого є використання ніобію в катоді. Проект знаходиться на початковій стадії розробки.

Пошук кращої продуктивності в акумуляторних батареях для електромобілів відображає всесвітні зусилля, які почалися кілька десятиліть тому. Нобелівську премію з хімії 2019 року оголосила Шведська королівська академія наук у жовтні, нобелівську премію з хімії присудили американському математику і фізику Джону Банністеру Гуденафу, британському хіміку М. Стенлі Віттінгему та японському хіміку Акірі Йошіно за їх дослідження в 1970 і 1980 роках. призвело до розробки та комерційного виробництва сучасних літій-іонних акумуляторів.

Згідно зі звітом Global EV Outlook 2019, опублікованим Міжнародним енергетичним агентством (IEA), основна робота, що виконується сьогодні, пов’язана зі змінами хімічних характеристик акумуляторів, таких як катоди, виготовлені з оксиду літію та металева композиція, утворена 80% нікелю. , 10% марганцю і 10% кобальту, на відміну від нинішніх, які мають рівну частку трьох металів.

Інша лінія розробок — літієві катоди з оксидом нікелю, кобальту та алюмінію, розчин, який використовується лише в невеликих акумуляторах. Найбільш вивченим матеріалом для застосування в анодах є кремній-графітовий композит. Автомобільна промисловість очікує значних успіхів у збільшенні щільності енергії та зниженні витрат до 2025 року.

За даними МЕА, світовий парк електромобілів (чистих і гібридних) перевищив 5,1 мільйона автомобілів у 2018 році, а парк автобусів досяг 460 000 одиниць. Очікування на 2030 рік включає сценарії, за яких автопарк коливатиметься від 130 мільйонів до 250 мільйонів. Згідно з даними Національної асоціації виробників автомобілів (Anfavea), у Бразилії кількість електричних і гібридних транспортних засобів у 2018 році досягла 10,6 тис. одиниць. Прогнозів щодо бразильського ринку немає, але очікування розширення національного парку спонукає компанії виробляти літій-іонні акумулятори на місцевому рівні.

Grupo Moura, традиційний виробник свинцевих акумуляторних батарей для автомобілів, заснував відділ досліджень і розробок літієвих акумуляторів у своїй штаб-квартирі в Белу-Жардімі (PE). Ще в 2019 році на ринок з’являється перша версія для навантажувачів. Компанія також вступила в партнерство з американською компанією Xalt Energy, власником технології акумуляторних батарей для важких транспортних засобів, з метою спочатку обслуговувати ринок автобусів. Підписано контракт з виробником Eletra в Сан-Паулу (див. Pesquisa FAPESP № 283).

Фернандо Кастелан, директор літієвого підрозділу компанії Moura, повідомляє, що компанія адаптує батареї Xalt до умов використання в Бразилії. Нова фабрика Moura, відкрита в 2018 році, призначена для виробництва цього товару. За словами Кастеляо, літій-іонні батареї вимагають спеціальних заходів безпеки, щоб забезпечити належну герметизацію та захист від контакту з водою. Їм також потрібна система охолодження для підтримки правильної температури. «На транспортні засоби в Бразилії діють інші кліматичні умови, ніж у північних країнах», – підкреслює виконавчий директор.

У Сан-Паулу компанія Electrocell, розташована в Центрі інновацій, підприємництва та технологій (Cietec) Університету Сан-Паулу (USP), з 2007 року працює над розробкою літій-іонних акумуляторів для транспортних засобів. проект, пов'язаний з паливними елементами за підтримки програми FAPESP Pipe. Компанія вступила в партнерство з Brasil VE Superleves, національним виробником транспортних засобів із суперкомпактним шасі, встановленим у бізнес-парку Anhanguera в Кахамарі (ШП), і, як очікується, розпочне свою промислову діяльність у грудні. Мета — випускати від 40 до 200 одиниць на місяць, у тому числі легкові транспортні засоби на два та чотири місця, міні-вантажівки та автобуси на 12 та 24 місця.

Інженер-хімік, який спеціалізується на виробництві літієвих батарей у Німеччині, директор Electrocell Герхард Етт зазначає, що спочатку компанія буде імпортувати елементи та інтегрувати літієві батареї в країну. Перша партія надійде з Німеччини, але компанія також має комерційні контакти в Китаї, США та Південній Кореї: «Наша мета — здійснювати все виробництво на місці. Ми вже маємо необхідні технічні знання та освоїли процес виготовлення. Нам просто потрібен масштаб, щоб розпочати виробництво», — каже Етт, який також є професором Університетського центру FEI в Сан-Бернарду-ду-Кампу (СП).

Для інженера-механіка Пауло Енріке де Мелло Сант’Ана з Центру інженерії, моделювання та прикладних соціальних наук Федерального університету ABC (Cecs-UFABC) освоєння виробництва батарей буде стратегічним у майбутньому електричної мобільності. За його словами, Бразилії важливо позиціонувати себе як розробника технологій, а не просто як покупця готової продукції. «Ми все ще не знаємо, чи матимуть такі ініціативи, як CBMM і Toshiba або Codemge з Oxis, економічну життєздатність і здатність підвищити продуктивність сучасних літієвих батарей, але це чудово, що бразильці залучені до процесу розробки», - заявляє він.

Проекти

1. Розробка композитів з інжекційним графітом, що застосовуються в хімічних процесах (№ 04/09113-3); Modality Innovative Research in Small Businesses (Pipe); Відповідальний дослідник Фолькмар Етт (Електроелемент); Інвестиції 601 848,93 R$.
2. Розробка та будівництво напівавтоматичної лінії складання паливних елементів (№ 04/13975-0); Modality Innovative Research in Small Businesses (Pipe); Угода Finep Pipe-Pappe; Відповідальний дослідник Герхард Етт (Електроелемент); Інвестиції 433 815,72 R$.
3. Розробка паливних елементів, інтегрованих з програмним та апаратним забезпеченням для моніторингу, діагностики, контролю та периферійних пристроїв (№ 00/13120-4); Modality Innovative Research in Small Businesses (Pipe); Відповідальний дослідник Герхард Етт (Електроелемент); Інвестиції 352 705,02 R$.

---