Les iniciatives poden inserir el Brasil al creixent mercat de bateries de liti

Les bateries de liti s'utilitzen per emmagatzemar energia en vehicles elèctrics, un mercat amb gran marge d'expansió al Brasil

Bateria de liti

El Brasil podria incorporar-se aviat al grup de països fabricants de bateries per a la mobilitat elèctrica, un segment liderat per la Xina, els Estats Units, el Japó i Corea del Sud. Almenys quatre iniciatives, que impliquen empreses nacionals en col·laboració amb estrangeres, estan en marxa al país per aquest propòsit. En la majoria d'ells, la tecnologia de les bateries ha estat o està sent desenvolupada pel soci internacional.

Un dels projectes està encapçalat per la Companyia de Desenvolupament de Minas Gerais (Codemge), que va signar l'any 2018 un acord amb l'empresa anglesa Oxis Energy per establir la primera fàbrica a escala industrial de cèl·lules de bateries de sofre de liti (Li-S) a la regió. .món. La tecnologia, segons Oxis, té un rendiment i una seguretat superiors a les de les bateries d'ions de liti, la principal solució que abasteix el mercat del vehicle elèctric.

El fabricant tradicional de bateries Moura, el desenvolupador de sistemes de piles de combustible Electrocell i un consorci que reuneix miners de la Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineração (CBMM) i japonesos de Toshiba també tenen previst establir-se en aquest segment.

En un primer moment, l'objectiu d'Oxis Brasil, una empresa fruit de l'associació entre Codemge i Oxis Energy, serà el segment dels vehicles pesants, com ara autobusos i camions, i la indústria de defensa i aeroespacial, amb aplicacions en drons, satèl·lits i verticals. vehicles elèctrics d'enlairament i aterratge (eVTOL).

Planificada per ser construïda a Nova Lima, a la regió metropolitana de Belo Horizonte, amb una inversió de 56 milions de dòlars EUA, la fàbrica hauria de començar a funcionar el 2022 amb una producció anual de 300 mil cèl·lules de bateries. En el segon any, l'expectativa és arribar als 1,2 milions d'unitats, la meitat de la capacitat total prevista. L'estructura ja preveu una futura ampliació, que permetrà la producció anual de 4,8 milions de cèl·lules.

Una bateria de vehicle és en realitat un conjunt de petites bateries (anomenades cèl·lules), que s'integren, formant un paquet, i gestionades per un programari anomenat BMS (Battery Management System o sistema de gestió de bateries). Es dissenya un paquet de cèl·lules específics amb connexions sèrie i paral·lel per a cada aplicació.

Una bateria per a autobusos, per exemple, requereix unes 10.000 cèl·lules. Rodrigo Mesquita, gerent de la unitat de Nou Negoci de Codemge, informa que la fàbrica no es dedicarà a produir les bateries. Aquesta funció serà realitzada per empreses que integren cèl·lules i sistemes BMS.

El Premi Nobel de Química d'enguany es va lliurar a tres investigadors que van dur a terme investigacions relacionades amb les bateries de liti

“Estem en procés de definir els socis que faran aquesta integració. Esperem atraure alguns d'ells al Brasil”, diu. Els integradors haurien de ser designats pels futurs clients de la bateria. Entre les empreses que ja han mostrat interès per l'equipament es troben la brasilera Embraer, la nord-americana Boeing i Lockheed Martin, el consorci europeu Airbus i els alemanys Mercedes-Benz i Porsche.

La tecnologia de pila de bateries de sofre de liti va ser desenvolupada per Oxis Energy. Codemge, a través del fons d'inversió Aerotec, creat per aquest, va invertir l'any passat 18,6 milions de R$ per una participació del 12% a Oxis Energy i va portar el projecte industrial al Brasil per engrossir la cadena de producció del liti a Minas Gerais. La regió de Vale do Jequitinhonha, al nord-est de l'estat, sorgeix amb el potencial de posicionar-se com un gran productor de mineral.

Oxis Brasil serà la primera fàbrica a escala comercial de bateries de liti-sofre del planeta. La tecnologia està en desenvolupament en diversos centres de recerca d'arreu del món. Al Japó, Sony treballa per crear bateries per a telèfons intel·ligents a partir dels materials, mentre que als Estats Units, Sion Power Corporation desenvolupa bateries de vehicles de sofre de liti. Aquest és també l'objectiu de Projeto Alise, un consorci europeu format per 16 empreses, de les quals forma part Oxis Energy, que té com a objectiu el desenvolupament de nous materials i la comprensió dels processos electroquímics implicats en la tecnologia del sofre i el liti.

El 2018, el Brasil va produir només 600 tones (t) de liti, un volum equivalent a aproximadament el 0,7% del mercat mundial. La producció brasilera va ser a càrrec de la Companhia Brasileira de Litio (CBL), empresa en la qual Codemge té una participació accionarial. El Servei Geològic del Brasil estima que les reserves nacionals, concentrades a la vall de Jequitinhonha, representen el 8% del mineral mundial, uns 14 milions de tones. Austràlia i Xile són els principals productors mundials de liti, amb, respectivament, 51.000 t i 16.000 t.

El liti és un metall lleuger amb alta densitat energètica, és a dir, és capaç de concentrar més energia en un espai més reduït en comparació amb les bateries de níquel-cadmi utilitzades en els primers telèfons mòbils i ordinadors portàtils o el cotxe convencional de plom-àcid utilitzat per a activar el motor del vehicle de combustió (veure Pesquisa FAPESP nº 258).

La majoria de bateries d'ions de liti es construeixen amb una combinació en què l'ànode (pol negatiu) està fet de carboni grafit, mentre que el càtode (pol positiu) està fet d'òxid de liti i una barreja de metalls, que inclou níquel, manganès i cobalt. L'electròlit (el medi pel qual els àtoms d'ions es mouen entre els pols) és una barreja de dissolvents orgànics i sals de liti.

Valdirene Peressinotto, coordinadora de projectes de recerca, desenvolupament i innovació (R+D+I) de Codemge, explica que, a causa dels materials utilitzats i del procés de producció, aquesta combinació de materials presenta problemes de seguretat quan s'exposa a situacions d'estrès, com ara escalfaments per sobre de 45 oC, curtcircuit i perforació, risc que existeix en cas de col·lisió de vehicle.

La solució de bateria creada per Oxis Energy preveu l'ús de liti metàl·lic a l'ànode, substituint el carboni grafit, i una combinació de sofre i carboni al càtode. L'empresa ha desenvolupat la seva pròpia tecnologia per al càtode i l'electròlit. Les proves realitzades indiquen que aquestes noves bateries són segures, funcionen amb normalitat a temperatures que van des dels menys 60oC fins als menys 80oC i no exploten en punxar-se o en curtcircuit.

A més de la seguretat operativa, un altre avantatge de les bateries de sofre de liti és la densitat d'energia. Mentre que les bateries d'ions de liti concentren un màxim de 240 watts-hora per quilo (Wh/kg), les de sofre de liti emmagatzemen 450 Wh/kg. A la pràctica, això permet construir bateries més petites i lleugeres que proporcionen als vehicles una major autonomia.

Un fet important, observa Peressinotto, és que els de ions de liti ja estan a prop del seu límit d'eficiència teòrica, mentre que els de sofre de liti encara tenen potencial d'evolució en relació a la densitat energètica. "Oxis espera arribar a una densitat de 550 Wh/kg el 2020", informa el coordinador d'R+I de Codemge.

Amb seu a Araxá (MG), CBMM és el major productor mundial de niobi (vegeu Pesquisa FAPESP núm. 277). El 2018, es va associar amb Toshiba Corporation per crear una nova bateria de liti. La proposta del departament d'R+D de Toshiba és substituir l'ànode de carboni per òxids mixts de niobi i titani (NTO), mantenint la configuració tradicional d'un aliatge de metall de liti al càtode.

Segons Rogério Marques Ribas, director executiu de bateries de CBMM, mentre que l'ànode de carboni reacciona al liti i genera estrès estructural, com un augment del 13% de volum durant la recàrrega, la NTO es comporta de manera diferent. “Aquesta diferència permet una major potència i una recàrrega més ràpida”, destaca.

Comparant dues bateries amb la mateixa càrrega d'energia, mentre que la versió d'ió de liti triga quatre hores a recarregar-se, la versió NTO només necessita 10 minuts. La bateria NTO també té una durabilitat per al seu ús en vehicles de més de 15 anys, mentre que el límit ja obtingut en la bateria d'ions de liti és de cinc a 10 anys. Un altre avantatge és que l'ànode NTO proporciona una major seguretat en situacions d'estrès per escalfament o perforació.

L'associació entre CBMM i Toshiba demana que cadascuna de les empreses inverteixi 7,2 milions de dòlars en una planta pilot, que s'està construint a Yokohama, Japó, i produirà les primeres unitats per a proves d'aquí a dos anys. “La nostra expectativa és tenir la tecnologia aprovada pels clients el 2021, que serà la garantia per a la construcció d'una línia de producció a escala industrial”, afirma Ribas.

Segons ell, un altre projecte per a l'ús de niobi en bateries l'està duent a terme la North American Wildcat Discovery Technologies, a San Diego, Califòrnia. CBMM també és soci del projecte, l'objectiu del qual és l'ús de niobi al càtode. El projecte es troba en la fase inicial de desenvolupament.

La recerca d'un millor rendiment en bateries recarregables per a vehicles elèctrics reflecteix un esforç mundial que va començar fa unes dècades. Anunciat per la Reial Acadèmia Sueca de Ciències a l'octubre, el Premi Nobel de Química 2019 es va atorgar al matemàtic i físic nord-americà John Bannister Goodenough, al químic britànic M. Stanley Whittingham i al químic japonès Akira Yoshino pels seus estudis durant els anys 1970 i 1980 i que va conduir al desenvolupament i la producció comercial de bateries modernes d'ions de liti.

Segons l'informe Global EV Outlook 2019 publicat per l'Agència Internacional de l'Energia (IEA), el principal treball que s'està duent a terme avui consisteix en canvis en les característiques químiques de les bateries, com els càtodes construïts amb òxid de liti i una composició metàl·lica formada amb un 80% de níquel. , 10% manganès i 10% cobalt, a diferència dels actuals, que tenen una proporció igual dels tres metalls.

Una altra línia de desenvolupament són els càtodes de liti amb níquel, cobalt i òxid d'alumini, una solució que només s'utilitza en piles petites. El material més estudiat per a la seva aplicació en ànodes és el compost de silici-grafit. La indústria de l'automòbil espera avenços significatius en l'augment de la densitat energètica i la reducció de costos per al 2025.

La flota mundial de cotxes elèctrics (purs i híbrids) va superar els 5,1 milions de vehicles el 2018 i la flota d'autobusos va arribar a les 460.000 unitats, segons l'AIE. L'expectativa per al 2030 inclou escenaris en què la flota d'automòbils oscil·larà entre els 130 i els 250 milions. Al Brasil, el nombre de vehicles elèctrics i híbrids va assolir les 10.600 unitats el 2018, segons dades de l'Associació Nacional de Fabricants de Vehicles d'Automoció (Anfavea). No hi ha projeccions per al mercat brasiler, però l'expectativa d'expansió de la flota nacional motiva les empreses a produir bateries d'ions de liti localment.

Grupo Moura, un fabricant tradicional de bateries de plom per a vehicles, ha establert una unitat d'R+D de bateries de liti a la seva seu de Belo Jardim (PE). Encara el 2019 arriba al mercat una primera versió per a carretons elevadors. L'empresa també va signar una associació amb la nord-americana Xalt Energy, titular de la tecnologia de bateries per a vehicles pesants, amb l'objectiu de donar servei, en un primer moment, al mercat d'autobusos. Es va signar un contracte amb el fabricant de São Paulo Eletra (vegeu Pesquisa FAPESP nº 283).

Fernando Castelão, director de la Divisió de Liti de Moura, informa que l'empresa adaptarà les bateries Xalt a les condicions d'ús del Brasil. Una nova fàbrica de Moura inaugurada el 2018 està dissenyada per produir l'article. Segons Castelão, les bateries d'ions de liti requereixen precaucions de seguretat especials per garantir un segellat adequat i una protecció contra el contacte amb l'aigua. També necessiten un sistema de refrigeració per mantenir la temperatura correcta. "Els vehicles al Brasil estan subjectes a condicions climàtiques diferents de les dels països del Nord", destaca l'executiu.

A São Paulo, Electrocell, una empresa ubicada al Centre d'Innovació, Emprenedoria i Tecnologia (Cietec) de la Universitat de São Paulo (USP), treballa des de l'any 2007 en el desenvolupament de bateries d'ions de liti per a vehicles, tecnologia sorgida d'un projecte relacionat amb les piles de combustible amb el suport del programa Pipe de la FAPESP. La companyia va signar una associació amb Brasil VE Superleves, un muntador nacional de vehicles amb xassís supercompacte instal·lat al Parc Empresarial Anhanguera, a Cajamar (SP), i està previst que iniciï la seva activitat industrial al desembre. L'objectiu és produir entre 40 i 200 unitats al mes, incloent vehicles de passatgers de dos i quatre places, mini-camions i autobusos de 12 i 24 places.

Enginyer químic especialitzat en la fabricació de bateries de liti a Alemanya, el director d'Electrocell Gerhard Ett assenyala que inicialment l'empresa importarà les cèl·lules i integrarà les bateries de liti al país. El primer lot vindrà d'Alemanya, però l'empresa també té contactes comercials a la Xina, els Estats Units i Corea del Sud. “El nostre objectiu és portar a terme tota la producció a nivell local. Ja tenim els coneixements tècnics necessaris i hem dominat el procés de fabricació. Només necessitem escala per començar la producció", diu Ett, que també és professor al Centre Universitari FEI de São Bernardo do Campo (SP).

Per a l'enginyer mecànic Paulo Henrique de Mello Sant'Ana, del Centre d'Enginyeria, Modelatge i Ciències Socials Aplicades de la Universitat Federal d'ABC (Cecs-UFABC), dominar la producció de bateries serà estratègic en un futur de mobilitat elèctrica. Segons ell, és fonamental que el Brasil es posicioni com a desenvolupador de tecnologia i no només com a comprador de productes acabats. “Encara no sabem si iniciatives com CBMM i Toshiba o Codemge amb Oxis tindran viabilitat econòmica i la capacitat d'augmentar el rendiment de les actuals bateries de liti, però és excel·lent que els brasilers participin en el procés de desenvolupament”, declara.

Projectes

  1. Desenvolupament de composites de grafit injectat aplicats en processos químics (núm. 04/09113-3); Modalitat Recerca Innovadora en Petites Empreses (Pipe); Investigador responsable Volkmar Ett (Electrocel·la); Inversió R$ 601.848,93.
  2. Desenvolupament i construcció d'una línia de muntatge de piles de combustible semiautomàtiques (núm. 04/13975-0); Modalitat Recerca Innovadora en Petites Empreses (Pipe); Acord Finep Pipe-Pappe; Investigador responsable Gerhard Ett (Electrocel·la); Inversió 433.815,72 R$.
  3. Desenvolupament de piles de combustible integrades amb programari i maquinari de monitorització, diagnòstic, control i perifèrics (núm. 00/13120-4); Modalitat Recerca Innovadora en Petites Empreses (Pipe); Investigador responsable Gerhard Ett (Electrocel·la); Inversió 352.705,02 R$.