Lithiumbatterien werden zur Speicherung von Energie in Elektrofahrzeugen verwendet, einem Markt mit großem Expansionsspielraum in Brasilien
Brasilien könnte bald der Gruppe von Ländern beitreten, die Batterien für die Elektromobilität herstellen, ein Segment, das von China, den USA, Japan und Südkorea angeführt wird. Mindestens vier Initiativen, an denen nationale Unternehmen in Zusammenarbeit mit ausländischen Unternehmen beteiligt sind, sind im Gange Land für diesen Zweck. In den meisten von ihnen wurde oder wird die Batterietechnologie vom internationalen Partner entwickelt.
Eines der Projekte wird von der Minas Gerais Development Company (Codemge) geleitet, die 2018 eine Vereinbarung mit dem englischen Unternehmen Oxis Energy geschlossen hat, um die weltweit erste industrielle Anlage für Lithium-Schwefel-Batteriezellen (Li-S) zu bilden. Welt. Laut Oxis bietet die Technologie eine höhere Leistung und Sicherheit als Lithium-Ionen-Batterien, die Hauptlösung für den Elektrofahrzeugmarkt.
Der traditionelle Batteriehersteller Moura, Entwickler von Brennstoffzellensystemen Electrocell und ein Konsortium, das die Bergleute der brasilianischen Metallurgie- und Bergbaugesellschaft (CBMM) und die Japaner von Toshiba zusammenbringt, planen ebenfalls, sich in diesem Segment zu etablieren.
Das Ziel von Oxis Brasil, einem Unternehmen, das aus der Partnerschaft zwischen Codemge und Oxis Energy resultiert, wird zunächst das Segment der schweren Fahrzeuge wie Busse und Lastwagen sowie der Verteidigungs- und Luftfahrtindustrie mit Anwendungen in Drohnen, Satelliten und anderen Ländern sein elektrische vertikale Start- und Landefahrzeuge (eVTOLs).
Die Fabrik soll in Nova Lima in der Metropolregion Belo Horizonte mit einer Investition von 56 Millionen US-Dollar gebaut werden und 2022 mit einer jährlichen Produktion von 300.000 Batteriezellen ihren Betrieb aufnehmen. Im zweiten Jahr sollen 1,2 Millionen Einheiten erreicht werden, die Hälfte der erwarteten Gesamtkapazität. Die Struktur sieht bereits eine zukünftige Erweiterung vor, die die jährliche Produktion von 4,8 Millionen Zellen ermöglichen wird.
Eine Fahrzeugbatterie ist eigentlich ein Satz kleiner Batterien (sogenannte Zellen), die integriert sind, ein Paket bilden und von einer Software namens BMS (Battery Management System) verwaltet werden. Für jede Anwendung mit seriellen und parallelen Verbindungen wird ein spezielles Zellenpaket entwickelt.
Eine Batterie für Busse benötigt beispielsweise rund 10.000 Zellen. Rodrigo Mesquita, Leiter des Geschäftsbereichs New Business bei Codemge, teilt mit, dass sich das Werk nicht der Herstellung der Batterien widmen wird. Diese Funktion wird von Unternehmen ausgeführt, die BMS-Zellen und -Systeme integrieren.
Der diesjährige Nobelpreis für Chemie wurde an drei Forscher vergeben, die Forschungen zu Lithiumbatterien durchgeführt haben„Wir sind dabei, die Partner zu definieren, die diese Integration vornehmen. Wir hoffen, einige von ihnen nach Brasilien zu locken “, sagt er. Die Integratoren müssen von zukünftigen Batteriekunden ernannt werden. Zu den Unternehmen, die bereits Interesse an der Ausrüstung bekundet haben, gehören der brasilianische Embraer, die nordamerikanische Boeing und Lockheed Martin, das europäische Konsortium Airbus sowie der deutsche Mercedes-Benz und Porsche.
Die Technologie der Lithium-Schwefel-Batteriezellen wurde von Oxis Energy entwickelt. Codemge investierte im vergangenen Jahr über den von ihm geschaffenen Aerotec-Investmentfonds 18,6 Mio. R $ für einen 12-prozentigen Anteil an Oxis Energy und brachte das Industrieprojekt nach Brasilien, um die Produktionskette des Lithium in Minas Gerais. Die Region Vale do Jequitinhonha im Nordosten des Bundesstaates zeichnet sich durch das Potenzial aus, sich als Hauptproduzent des Erzes zu positionieren.
Oxis Brasil wird die erste kommerzielle Fabrik für Lithium-Schwefel-Batterien auf dem Planeten sein. Die Technologie wird in mehreren Forschungszentren auf der ganzen Welt entwickelt. In Japan arbeitet Sony daran, mit den Materialien Smartphone-Batterien herzustellen, während in den USA die Sion Power Corporation Lithium-Schwefel-Fahrzeugbatterien entwickelt. Dies ist auch das Ziel des Alise-Projekts, eines europäischen Konsortiums aus 16 Unternehmen, zu denen Oxis Energy gehört. Der Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung neuer Materialien und dem Verständnis der elektrochemischen Prozesse in der Schwefel- und Lithiumtechnologie.
Im Jahr 2018 produzierte Brasilien nur 600 Tonnen (t) Lithium, was einem Volumen von etwa 0,7% des Weltmarktes entspricht. Die brasilianische Produktion wurde von Companhia Brasileira de Lítio (CBL) durchgeführt, einem Unternehmen, an dem Codemge beteiligt ist. Der Geological Survey of Brazil schätzt, dass die im Jequitinhonha-Tal konzentrierten nationalen Reserven 8% des weltweiten Erzes von rund 14 Millionen Tonnen ausmachen. Australien und Chile sind mit 51.000 t bzw. 16.000 t die größten Lithiumproduzenten weltweit.
Lithium ist ein Leichtmetall mit einer hohen Energiedichte, das heißt, es kann mehr Energie auf kleinerem Raum konzentrieren als die Nickel-Cadmium-Batterien, die in den ersten Mobiltelefonen und Notebooks verwendet werden, oder die herkömmlichen Blei-Säure-Batterien für Kraftfahrzeuge Starten Sie den Verbrennungsmotor (siehe Pesquisa FAPESP Nr. 258).
Die meisten Lithium-Ionen-Batterien bestehen aus einer Kombination, bei der die Anode (negativer Pol) aus Graphitkohlenstoff besteht, während die Kathode (positiver Pol) aus Lithiumoxid und einer Metallmischung besteht, die Nickel enthält. Mangan und Kobalt. Der Elektrolyt (das Medium, durch das sich die Ionenatome zwischen den Polen bewegen) ist eine Mischung aus organischen Lösungsmitteln und Lithiumsalzen.
Valdirene Peressinotto, Koordinatorin für Forschungs-, Entwicklungs- und Innovationsprojekte (RD & I) bei Codemge, erklärt, dass diese Materialkombination aufgrund der verwendeten Materialien und des Produktionsprozesses Sicherheitsprobleme darstellt, wenn sie Stresssituationen wie der obigen Erwärmung ausgesetzt ist 45 oC, Kurzschluss und Bohren, ein Risiko, das im Falle einer Fahrzeugkollision besteht.
Die von Oxis Energy entwickelte Batterielösung sieht die Verwendung von metallischem Lithium an der Anode vor, das Graphitkohlenstoff und eine Kombination aus Schwefel und Kohlenstoff an der Kathode ersetzt. Das Unternehmen entwickelte eine eigene Technologie für Kathode und Elektrolyt. Die durchgeführten Tests zeigen, dass diese neuen Batterien sicher sind, normalerweise bei Temperaturen zwischen 60 ° C und 80 ° C arbeiten und nicht explodieren, wenn sie durchstoßen werden oder kurzgeschlossen sind.
Ein weiterer Vorteil von Lithium-Schwefel-Batterien ist neben der Betriebssicherheit die Energiedichte. Während Lithiumionenkonzentrate maximal 240 Wattstunden pro Kilo (Wh / kg) haben, speichert Lithium-Schwefel 450 Wh / kg. In der Praxis können so kleinere, leichtere Batterien gebaut werden, die den Fahrzeugen eine größere Autonomie verleihen.
Eine wichtige Tatsache, so Peressinotto, ist, dass die Lithium-Ionen-Batterien bereits nahe an ihrer theoretischen Wirkungsgradgrenze liegen, während die von Lithium-Schwefel in Bezug auf die Energiedichte noch Entwicklungspotential haben. „Oxis erwartet bereits 2020 eine Dichte von 550 Wh / kg“, informiert der RD & I-Koordinator von Codemge.
CBMM hat seinen Hauptsitz in Araxá (MG) und ist der weltweit größte Niobproduzent (siehe Pesquisa FAPESP Nr. 277). Im Jahr 2018 wurde eine Partnerschaft mit der Toshiba Corporation geschlossen, um eine neue Lithiumbatterie zu entwickeln. Der Vorschlag der Forschungs- und Entwicklungsabteilung von Toshiba besteht darin, die Kohlenstoffanode durch Mischoxide aus Niob und Titan (NTO) zu ersetzen, wobei die traditionelle Konfiguration einer Lithium- und Metalllegierung an der Kathode beibehalten wird.
Laut Rogério Marques Ribas, Executive Manager für Batterien bei CBMM, reagiert das NTO anders, während die Kohlenstoffanode auf Lithium reagiert und strukturelle Spannungen erzeugt, wie z. B. eine Volumenzunahme von 13% beim Aufladen. "Dieser Unterschied ermöglicht eine höhere Leistung und eine schnellere Aufladung", betont er.
Beim Vergleich von zwei Batterien mit derselben Energieladung dauert das Aufladen der Lithium-Ionen-Version vier Stunden, während die NTO-Version nur 10 Minuten benötigt. Die NTO-Batterie ist auch für Fahrzeuge über 15 Jahre haltbar, während die bereits bei Lithium-Ionen-Batterien festgelegte Grenze fünf bis 10 Jahre beträgt. Ein weiterer Vorteil ist, dass die NTO-Anode in Stresssituationen durch Erhitzen oder Bohren mehr Sicherheit bietet.
Die Partnerschaft zwischen CBMM und Toshiba prognostiziert, dass jedes der Unternehmen 7,2 Millionen US-Dollar in eine Pilotanlage investieren wird, die in Yokohama, Japan, errichtet wird, und die ersten Einheiten innerhalb von zwei Jahren zum Testen produzieren wird. „Wir erwarten, dass die Technologie 2021 von den Kunden genehmigt wird, was die Garantie für den Bau einer Produktionslinie im industriellen Maßstab darstellt“, sagt Ribas.
Ihm zufolge wird ein weiteres Projekt zur Verwendung von Niob in Batterien von der nordamerikanischen Wildcat Discovery Technologies in San Diego, Kalifornien, durchgeführt. CBMM ist auch Partner des Projekts, dessen Ziel die Verwendung von Niob in der Kathode ist. Das Projekt befindet sich in einem frühen Entwicklungsstadium.
Die Suche nach einer besseren Leistung bei wiederaufladbaren Batterien für Elektrofahrzeuge spiegelt eine weltweite Anstrengung wider, die vor einigen Jahrzehnten begann. Der von der Königlich Schwedischen Akademie der Wissenschaften im Oktober angekündigte Nobelpreis für Chemie 2019 wurde an den amerikanischen Mathematiker und Physiker John Bannister Goodenough, den britischen Chemiker M. Stanley Whittingham und den japanischen Chemiker Akira Yoshino für die im Laufe der Jahre durchgeführten Studien verliehen 1970 und 1980 und das führte zur Entwicklung und kommerziellen Produktion moderner Lithium-Ionen-Batterien.
Laut dem von der Internationalen Energieagentur (IEA) veröffentlichten Global EV Outlook 2019-Bericht betreffen die heute laufenden Hauptarbeiten Änderungen der chemischen Eigenschaften von Batterien, wie z. B. Kathoden aus Lithiumoxid und einer Metallzusammensetzung mit 80% Nickel, 10% Mangan und 10% Kobalt, im Gegensatz zu den derzeitigen, die einen gleichen Anteil an den drei Metallen haben.
Eine weitere Entwicklungslinie sind Lithiumkathoden mit Nickel, Kobalt und Aluminiumoxid, eine Lösung, die nur in kleinen Batterien verwendet wird. Das am besten untersuchte Material für Anodenanwendungen ist der Silizium-Graphit-Verbund. Die Autoindustrie erwartet erhebliche Fortschritte bei der Erhöhung der Energiedichte und der Kostensenkung bis 2025.
Die weltweite Flotte von Elektroautos (rein und hybride) überstieg 2018 5,1 Millionen Fahrzeuge und die Busflotte erreichte laut IEA 460.000 Einheiten. Die Erwartung für 2030 umfasst Szenarien, in denen die Fahrzeugflotte zwischen 130 und 250 Millionen variieren wird. In Brasilien erreichte die Zahl der Elektro- und Hybridfahrzeuge nach Angaben des Nationalen Verbandes der Kraftfahrzeughersteller (Anfavea) im Jahr 2018 10.600 Einheiten. Für den brasilianischen Markt gibt es keine Prognosen, aber die Erwartung, die nationale Flotte zu erweitern, motiviert Unternehmen, vor Ort Lithium-Ionen-Batterien herzustellen.
Grupo Moura, ein traditioneller Hersteller von Blei-Säure-Fahrzeugbatterien, richtete am Hauptsitz in Belo Jardim (PE) eine Forschungs- und Entwicklungseinheit für Lithiumbatterien ein. Noch im Jahr 2019 kommt eine erste Version für Gabelstapler auf den Markt. Das Unternehmen ging außerdem eine Partnerschaft mit dem amerikanischen Unternehmen Xalt Energy ein, das Batterietechnologie für schwere Fahrzeuge besitzt, um in einem ersten Moment den Busmarkt zu bedienen. Mit dem Hersteller Eletra in São Paulo wurde ein Vertrag unterzeichnet (siehe Pesquisa FAPESP Nr. 283).
Fernando Castelão, Direktor der Division Lítio da Moura, teilt mit, dass das Unternehmen Xalt-Batterien an die Einsatzbedingungen in Brasilien anpassen wird. Eine neue Moura-Fabrik, die 2018 eröffnet wurde, soll den Artikel produzieren. Laut Castelão erfordern Lithium-Ionen-Batterien besondere Sicherheitsvorkehrungen, um eine angemessene Abdichtung und einen angemessenen Schutz in Bezug auf den Kontakt mit Wasser zu gewährleisten. Sie benötigen auch ein Kühlsystem, um die richtige Temperatur aufrechtzuerhalten. "Fahrzeuge in Brasilien sind anderen klimatischen Bedingungen ausgesetzt als in den Ländern des Nordens", betont die Exekutive.
In São Paulo arbeitet Electrocell, ein Unternehmen des Zentrums für Innovation, Unternehmertum und Technologie (Cietec) der Universität von São Paulo (USP), seit 2007 an der Entwicklung von Fahrzeug-Lithium-Ionen-Batterien, die aus einem Projekt im Zusammenhang mit Brennstoffzellen stammen wird vom PAP-Programm von FAPESP unterstützt. Das Unternehmen ging eine Partnerschaft mit Brasil VE Superleves ein, einem nationalen Autohersteller von Fahrzeugen mit superkompaktem Fahrgestell, der im Parque Empresarial Anhanguera in Cajamar (SP) installiert wurde. Die industrielle Tätigkeit soll im Dezember beginnen. Ziel ist es, zwischen 40 und 200 Einheiten pro Monat zu produzieren, zwischen zwei- und viersitzigen Personenkraftwagen, Mini-Trucks sowie 12- und 24-sitzigen Bussen.
Der auf die Herstellung von Lithiumbatterien in Deutschland spezialisierte Chemieingenieur, der Direktor von Electrocell Gerhard Ett, weist darauf hin, dass das Unternehmen zunächst die Zellen importieren und die Integration von Lithiumbatterien in das Land vornehmen wird. Die erste Charge wird aus Deutschland kommen, aber das Unternehmen verfügt auch über Handelskontakte in China, den USA und Südkorea. „Unser Ziel ist es, die gesamte Produktion vor Ort durchzuführen. Wir haben bereits das notwendige technische Wissen und beherrschen den Herstellungsprozess. Wir brauchen nur Skalierung, um die Produktion zu starten “, sagt Ett, der auch Professor am Centro Universitário FEI in São Bernardo do Campo (SP) ist.
Für den Maschinenbauingenieur Paulo Henrique de Mello Sant'Ana vom Zentrum für Ingenieurwesen, Modellierung und angewandte Sozialwissenschaften der Bundesuniversität ABC (Cecs-UFABC) wird der Bereich der Batterieproduktion in einer Zukunft der Elektromobilität von strategischer Bedeutung sein. Ihm zufolge ist es für Brasilien wichtig, sich als Technologieentwickler und nicht nur als Käufer von Fertigprodukten zu positionieren. "Wir wissen immer noch nicht, ob Initiativen wie CBMM und Toshiba oder Codemge with Oxis wirtschaftlich sind und die Leistung aktueller Lithiumbatterien steigern können, aber es ist hervorragend, dass Brasilianer in den Entwicklungsprozess involviert sind", sagt er.
Projekte
- Entwicklung von injizierten Graphit-Verbundwerkstoffen, die in chemischen Prozessen angewendet werden (Nr. 04 / 09113-3); Modalität Innovative Forschung in kleinen Unternehmen (Pipe); Verantwortlicher Forscher Volkmar Ett (Electrocell); Investition R $ 601.848,93.
- Entwicklung und Bau einer halbautomatischen Montagelinie für Brennstoffzellen (Nr. 04 / 13975-0); Modalität Innovative Forschung in kleinen Unternehmen (Pipe); Finep Pipe-Pappe-Vereinbarung; Verantwortlicher Forscher Gerhard Ett (Electrocell); Investition R $ 433.815,72.
- Entwicklung von in Software und Hardware integrierten Brennstoffzellen zur Überwachung, Diagnose, Steuerung und Peripherie (Nr. 00 / 13120-4); Modalität Innovative Forschung in kleinen Unternehmen (Pipe); Verantwortlicher Forscher Gerhard Ett (Electrocell); Investition R $ 352.705,02.
