סוללות ליתיום משמשות לאחסון אנרגיה ברכבים חשמליים, שוק עם מרחב גדול להתרחבות בברזיל
ברזיל עשויה להצטרף בקרוב לקבוצת המדינות המייצרות סוללות לניידות חשמלית, פלח בראשות סין, ארצות הברית, יפן ודרום קוריאה. לפחות ארבע יוזמות, בהן מעורבים חברות לאומיות בשיתוף חברות זרות, נערכות ב מדינה לשם כך. ברובם טכנולוגיית הסוללה פותחה או מפותחת על ידי השותף הבינלאומי.
בראש אחד הפרויקטים עומדת החברה לפיתוח Minas Gerais (Codemge), שסגרה בשנת 2018 הסכם עם חברת Oxis Energy האנגלית להוות מפעל תאי סוללות ליתיום-גופרית (Li-S) הראשון בקנה מידה תעשייתי. עוֹלָם. לטכנולוגיה, לפי Oxis, ביצועים ובטיחות מעולים בהשוואה לסוללות ליתיום-יון, הפיתרון העיקרי המספק את שוק הרכב החשמלי.
גם יצרנית הסוללות המסורתית מורה, מפתחת מערכות תאי הדלק Electrocell וקונסורציום המאחד את כורי חברת המטלורגיה והכרייה הברזילאית (CBMM) והיפנים מטושיבה מתכננים להתבסס בתחום זה.
בתחילה, היעד של Oxis Brasil, התחייבות הנובעת מהשותפות בין Codemge ו- Oxis Energy, יהיה פלח הרכבים הכבדים, כמו אוטובוסים ומשאיות, והתעשיות הביטחוניות והחלליות, עם יישומים במזל"טים, לוויינים ו רכבי המראה ונחיתה אנכיים חשמליים (eVTOL).
המתוכנן לבנות בנובה לימה, באזור המטרופוליטן של בלו הוריזונטה, בהשקעה של 56 מיליון דולר, המפעל אמור להתחיל לפעול בשנת 2022 עם ייצור שנתי של 300 אלף תאי סוללה. בשנה השנייה הצפי הוא להגיע ל -1.2 מיליון יחידות, מחצית מכלל הקיבולת הצפויה. המבנה כבר צופה הרחבה עתידית, שתאפשר ייצור שנתי של 4.8 מיליון תאים.
מצבר לרכב הוא למעשה סט מצברים קטנים (המכונים תאים), המשולבים ויוצרים חבילה ומנוהלים על ידי תוכנה בשם BMS (מערכת ניהול סוללות). עבור כל יישום, חבילה ספציפית של תאים מתוכננת עם חיבורים סדרתיים ומקבילים.
סוללה לאוטובוסים, למשל, דורשת כ -10,000 תאים. רודריגו מסקיטה, מנהל היחידה לעסקים חדשים בקודמג ', מודיע כי המפעל לא יתמסר לייצור הסוללות. פונקציה זו תבוצע על ידי חברות המשלבות תאים ומערכות BMS.
פרס נובל לכימיה הוענק השנה לשלושה חוקרים שערכו מחקר הקשור לסוללות ליתיום"אנו בתהליך הגדרת השותפים שיעשו את האינטגרציה הזו. אנו מקווים למשוך כמה מהם לברזיל ”, הוא אומר. יש למנות את האינטגרטורים על ידי לקוחות הסוללה העתידיים. בין החברות שכבר הביעו התעניינות בציוד ניתן למנות את Embraer הברזילאית, בואינג וצפון אמריקה לוקהיד מרטין, הקונסורציום האירופי איירבוס ומרצדס בנץ והפורשה הגרמניות.
טכנולוגיית תאי הסוללה ליתיום-גופרית פותחה על ידי Oxis Energy. Codemge, באמצעות קרן ההשקעות אירוטק, שהוקמה על ידיה, השקיעה בשנה שעברה 18.6 מיליון דולר תמורת 12% ממניות Oxis Energy והביאה את הפרויקט התעשייתי לברזיל במטרה לעבות את שרשרת הייצור של ליתיום במינאס גאריס. חבל ואלה דו ג'קיטינהונה, בצפון מזרח המדינה, בולט עם פוטנציאל למצב את עצמו כיצרן מרכזי של עפרות.
Oxis Brasil יהיה המפעל הראשון בקנה מידה מסחרי של סוללות ליתיום-גופרית על פני כדור הארץ. הטכנולוגיה נמצאת בפיתוח בכמה מרכזי מחקר ברחבי העולם. ביפן, סוני פועלת ליצירת סוללות לסמארטפונים עם החומרים, ואילו בארצות הברית חברת שיאון פאוור מפתחת סוללות ליתיום-גופרית. זו גם מטרתו של פרויקט Alise, קונסורציום אירופי שהוקם על ידי 16 חברות, ש- Oxis Energy היא חלק מהן, אשר המוקד שלה הוא פיתוח חומרים חדשים והבנת התהליכים האלקטרוכימיים המעורבים בטכנולוגיית הגופרית והליתיום.
בשנת 2018 ייצרה ברזיל רק 600 טון (ט) ליתיום, נפח שווה ערך לכ- 0.7% מהשוק העולמי. הייצור הברזילאי בוצע על ידי חברת Companhia Brasileira de Lítio (CBL), חברה בה לקודמג'ה יש אינטרס הוני. הסקר הגיאולוגי של ברזיל מעריך כי עתודות לאומיות, המרוכזות בעמק ג'קיטינהונה, מהוות 8% מהעפרות בעולם, כ- 14 מיליון טון. אוסטרליה וצ'ילה הן היצרניות הגדולות בעולם של ליתיום, עם 51 אלף ט 'ו -16 אלף ט' בהתאמה.
ליתיום הוא מתכת קלה עם צפיפות אנרגיה גבוהה, כלומר היא מסוגלת לרכז יותר אנרגיה במרחב קטן יותר בהשוואה לסוללות ניקל-קדמיום המשמשות בטלפונים הסלולריים והמחברות הראשונות או בסוללות עופרת חומצה קונבנציונליות המשמשות ל הפעל את מנוע רכבי הבעירה (ראה פסקיסה FAPESP מס '258).
מרבית סוללות הליתיום-יון בנויות בשילוב בו האנודה (הקוטב השלילי) עשויה מפחמן גרפיט, ואילו הקתודה (הקוטב החיובי) מורכבת מתחמוצת ליתיום ותערובת מתכות הכוללת ניקל, מנגן וקובלט. האלקטרוליט (המדיום דרכו נעים אטומי היונים בין הקטבים) הוא תערובת של ממסים אורגניים ומלחי ליתיום.
Valdirene Peressinotto, רכזת פרויקטים של מחקר, פיתוח וחדשנות (RD&I) ב- Codemge, מסבירה כי בשל החומרים המשמשים ותהליך הייצור, שילוב זה של חומרים מביא לבעיות בטיחותיות בחשיפה למצבי לחץ, כגון חימום מעל 45 CC, קצר חשמלי וקידוחים, סיכון הקיים במקרה של התנגשות ברכב.
פתרון הסוללה שנוצר על ידי Oxis Energy מספק שימוש בליתיום מתכתי באנודה, החלפת פחמן גרפיט, ושילוב של גופרית ופחמן בקתודה. החברה פיתחה טכנולוגיה משלה לקתודה ולאלקטרוליט. הבדיקות שבוצעו מצביעות על כך שהסוללות החדשות הללו בטוחות, פועלות כרגיל בטמפרטורות הנעות בין 60 מעלות צלזיוס ל -80 מעלות צלזיוס חיוביות ואינן מתפוצצות בעת ניקוב או במצב קצר.
בנוסף לבטיחות התפעולית, יתרון נוסף של סוללות ליתיום-גופרית הוא צפיפות האנרגיה. בעוד שתרכזי ליתיום-יון מכילים מקסימום 240 וואט לשעה לקילו (Wh / kg), ליתיום-גופרית מאחסן 450 Wh / kg. בפועל, הדבר מאפשר לבנות מצברים קטנים וקלים יותר, המספקים אוטונומיה גדולה יותר לרכבים.
עובדה חשובה, מציין פרסינוטו, היא שסוללות ליתיום-יון כבר קרובות למגבלת היעילות התיאורטית שלהן, ואילו לסוללות הגופרית עדיין יש פוטנציאל להתפתחות ביחס לצפיפות האנרגיה. "Oxis מצפה להגיע לצפיפות של 550 Wh / kg כבר בשנת 2020", מודיע רכז ה- RD&I של Codemge.
מטה המטה בארקסה (MG), CBMM היא היצרנית הגדולה ביותר של ניוביום (ראה פסקיסה FAPESP מספר 277). בשנת 2018, היא שיתפה פעולה עם תאגיד טושיבה ליצירת סוללת ליתיום חדשה. ההצעה של מחלקת המו"פ של טושיבה היא להחליף את אנודת הפחמן עם תחמוצות מעורבות של ניוביום וטיטניום (NTO), תוך שמירה על התצורה המסורתית של סגסוגת ליתיום ומתכת בקתודה.
לדברי רוג'ריו מרקס ריבאס, מנהל סוללות ב- CBMM, בעוד שאנודת הפחמן מגיבה לליתיום ומייצרת מתח מבני, כמו עלייה של 13% בנפח במהלך הטעינה, ל- NTO יש התנהגות שונה. "ההבדל הזה מאפשר כוח גדול יותר ומהירות רבה יותר בטעינה", הוא מדגיש.
בהשוואת שתי סוללות באותה טעינה אנרגטית, בעוד שגרסת הליתיום-יון נטענת לארבע שעות, גרסת ה- NTO זקוקה ל -10 דקות בלבד. לסוללת ה- NTO עמידות גם לשימוש ברכבים מעל 15 שנים, ואילו הגבול שכבר מתקבל בסוללות ליתיום-יון הוא חמש עד עשר שנים. יתרון נוסף הוא כי האנודה NTO מספקת יותר אבטחה במצבי לחץ עקב חימום או קידוח.
השותפות בין CBMM וטושיבה צופה כי כל אחת מהחברות תשקיע 7.2 מיליון דולר במפעל פיילוט, המוקם ביוקוהמה שביפן, ותייצר את היחידות הראשונות לבדיקה תוך שנתיים. "הציפייה שלנו היא שהטכנולוגיה תאושר על ידי הלקוחות בשנת 2021, שתהיה הערובה להקמת פס ייצור בקנה מידה תעשייתי", אומר ריבאס.
לדבריו, פרויקט נוסף לשימוש בניוביום בסוללות נערך על ידי טכנולוגיות גילוי החתול הצפון אמריקאיות, בסן דייגו, קליפורניה. CBMM הוא גם שותף לפרויקט, שמטרתו השימוש בניוביום בקטודה. הפרויקט נמצא בשלב מוקדם של פיתוח.
החיפוש אחר ביצועים טובים יותר בסוללות נטענות לרכבים חשמליים משקף מאמץ עולמי שהחל לפני כמה עשורים. הוענק על ידי האקדמיה השבדית המלכותית למדעים באוקטובר, פרס נובל לכימיה לשנת 2019 הוענק למתמטיקאי והפיזיקאי האמריקאי ג'ון בניסטר גודנו, הכימאי הבריטי מ 'סטנלי וויטינגהאם ולכימאי היפני אקירה יושינו על לימודיהם לאורך השנים. 1970 ו- 1980 וזה הוביל לפיתוח וייצור מסחרי של סוללות ליתיום-יון מודרניות.
על פי הדו"ח העולמי של EV EVO 2019 שפורסם על ידי סוכנות האנרגיה הבינלאומית (IEA), העבודה העיקרית המתבצעת כיום כוללת שינויים במאפיינים הכימיים של סוללות, כגון קתודות הבנויות עם תחמוצת ליתיום והרכב מתכתי שנוצר עם 80% מ ניקל, 10% מנגן ו -10% קובלט, בניגוד לזה הנוכחי, שיש להם חלק שווה משלוש המתכות.
קו התפתחות נוסף הוא של קתודות ליתיום עם ניקל, קובלט ותחמוצת אלומיניום, פתרון המשמש רק בסוללות קטנות. החומר הנלמד ביותר ליישום אנודה הוא המורכב מסיליקון-גרפיט. תעשיית הרכב צופה התקדמות משמעותית בהגדלת צפיפות האנרגיה והפחתת העלויות עד שנת 2025.
צי המכוניות החשמליות העולמי (טהור והיברידי) עלה על 5.1 מיליון כלי רכב בשנת 2018 וצי האוטובוסים הגיע ל -460,000 יחידות, על פי נתוני הסוכנות. הצפי לשנת 2030 כולל תרחישים בהם צי הרכב ישתנה בין 130 מיליון ל -250 מיליון. בברזיל מספר הרכבים החשמליים וההיברידיים הגיע בשנת 2018 ל -10,600 יחידות, על פי נתוני האיגוד הלאומי ליצרני רכב מנועי (Anfavea). אין תחזיות לשוק הברזילאי, אך הציפייה להרחיב את הצי הלאומי מניע חברות לייצר סוללות ליתיום-יון באופן מקומי.
Grupo Moura, יצרנית מסורתית של סוללות עופרת חומצה, הקימה יחידת מו"פ לסוללת ליתיום במטה שלה בבלו ג'ארדים (PE). עדיין בשנת 2019, גרסה ראשונה למלגזות מגיעה לשוק. החברה גם נכנסה לשותפות עם חברת Xalt Energy האמריקאית, המחזיקה בטכנולוגיית מצברים לרכבים כבדים, במטרה לשרת, ברגע הראשון, את שוק האוטובוסים. נחתם חוזה עם יצרנית סנט פאולו אלטרה (ראה פסקיסה FAPESP מספר 283).
פרננדו קסטלאו, מנהל חטיבת לטיו דה מורה, מודיע כי החברה תתאים את סוללות ה- Xalt לתנאי השימוש בברזיל. מפעל מורה חדש שנפתח בשנת 2018 נועד לייצר את הפריט. על פי Castelão, סוללות ליתיום-יון דורשות אמצעי בטיחות מיוחדים כדי להבטיח אטימה והגנה נאותים ביחס למגע עם מים. הם זקוקים גם למערכת קירור כדי לשמור על הטמפרטורה הנכונה. "כלי הרכב בברזיל נתונים לתנאי אקלים שונים מאלה שבמדינות הצפון", מדגיש ההנהלה.
בסאו פאולו, חברת Electrocell, השוכנת במרכז לחדשנות, יזמות וטכנולוגיה (Cietec) של אוניברסיטת סאו פאולו (USP), עובדת על פיתוח סוללות ליתיום-יון לרכב מאז 2007, טכנולוגיה שמקורה בפרויקט הקשור לתאי דלק. נתמך על ידי תוכנית הצינורות של FAPESP. החברה נכנסה לשותפות עם ברזיל VE Superleves, יצרנית רכבים לאומית עם שלדות קומפקטיות שהותקנו בפארק העסקים אנהנגוארה בקג'אמר (SP), עם תחזית להתחיל את פעילותה התעשייתית בדצמבר. המטרה היא לייצר בין 40 ל -200 יחידות בחודש, בין רכבי נוסעים שניים לארבעה מושבים, מיני משאיות ואוטובוסים עם 12 ו -24 מושבים.
מהנדס כימיה המתמחה בייצור סוללות ליתיום בגרמניה, מנהל חברת Electrocell Gerhard Ett מציין כי בתחילה החברה תייבא את התאים ותבצע שילוב של סוללות ליתיום במדינה. המנה הראשונה תגיע מגרמניה, אך לחברה יש קשרים מסחריים גם בסין, בארה"ב ובדרום קוריאה. "המטרה שלנו היא לבצע את כל הייצור באופן מקומי. יש לנו כבר את הידע הטכני הדרוש ושלטנו בתהליך הייצור. אנחנו רק צריכים קנה מידה כדי להתחיל בייצור ", אומר אט, שהוא גם פרופסור ב- Centro Universitário FEI, בסאו ברנרדו דו קמפו (SP).
עבור המהנדס המכני פאולו הנריקה דה מלו סנטאנה, מהמרכז להנדסה, דוגמנות ומדעי החברה היישומיים באוניברסיטה הפדרלית של ABC (Cecs-UFABC), תחום ייצור הסוללות יהיה אסטרטגי בעתיד של ניידות חשמלית. לדבריו, חיוני שברזיל תציב עצמה כמפתחת טכנולוגיה ולא רק כקונה של מוצרים מוכנים. "אנחנו עדיין לא יודעים אם ליוזמות כמו CBMM ו- Toshiba או Codemge with Oxis תהיה כדאיות כלכלית ויכולת להגדיל את ביצועי סוללות הליתיום הנוכחיות, אך מצוין שברזילאים מעורבים בתהליך הפיתוח", הוא אומר.
פרויקטים
- פיתוח מרכיבי גרפיט מוזרקים המיושמים בתהליכים כימיים (nr 04 / 09113-3); מחקר חדשני במודאליות בחברות קטנות (Pipe); חוקר אחראי וולקמר אט ( אלקטרוצ'ל ); השקעה 601,848.93 דולר.
- פיתוח והקמה של קו הרכבה חצי אוטומטי לתאי דלק (nr 04 / 13975-0); מחקר חדשני במודאליות בחברות קטנות (Pipe); הסכם Finep Pipe-Pappe; חוקר אחראי גרהרד אט ( אלקטרוצ'ל ); השקעה 433,815.72 דולר.
- פיתוח תאי דלק משולבים בתוכנה וחומרה לניטור, אבחון, בקרה וציוד היקפי (nr 00 / 13120-4); מחקר חדשני במודאליות בחברות קטנות (Pipe); חוקר אחראי גרהרד אט ( אלקטרוצ'ל ); השקעה $ 352,705.02.
