يمكن للمبادرات إدخال البرازيل في سوق بطاريات الليثيوم المتنامي
تُستخدم بطاريات الليثيوم لتخزين الطاقة في السيارات الكهربائية ، وهو سوق به مجال كبير للتوسع في البرازيل
قد تنضم البرازيل قريبًا إلى مجموعة البلدان التي تصنع بطاريات للتنقل الكهربائي ، وهو قطاع تقوده الصين والولايات المتحدة واليابان وكوريا الجنوبية. وهناك أربع مبادرات على الأقل ، تشمل شركات وطنية بالتعاون مع شركات أجنبية ، جارية في البلاد من أجل هذا الغرض. في معظمها ، تم تطوير تقنية البطاريات أو يجري تطويرها بواسطة الشريك الدولي.
يرأس أحد المشاريع شركة Minas Gerais Development Company (Codemge) ، التي وقعت اتفاقية في عام 2018 مع شركة Oxis Energy الإنجليزية لإنشاء أول مصنع على نطاق صناعي لخلايا بطاريات الليثيوم والكبريت (Li-S) في المنطقة. . العالم. تتمتع التكنولوجيا ، وفقًا لـ Oxis ، بأداء وأمان أعلى من بطاريات الليثيوم أيون ، وهي الحل الرئيسي الذي يمد سوق السيارات الكهربائية.
كما تخطط شركة Moura لصناعة البطاريات التقليدية ومطور أنظمة خلايا الوقود Electrocell واتحاد يجمع عمال المناجم من Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineração (CBMM) واليابانيون من Toshiba أيضًا لترسيخ أقدامهم في هذا القطاع.
في البداية ، سيكون هدف Oxis Brasil ، وهو مشروع ناتج عن الشراكة بين Codemge و Oxis Energy ، هو قطاع المركبات الثقيلة ، مثل الحافلات والشاحنات ، وصناعات الدفاع والفضاء ، مع تطبيقات في الطائرات بدون طيار والأقمار الصناعية والعمودية إقلاع وهبوط المركبات الكهربائية (eVTOLs).
من المقرر أن يتم بناؤه في نوفا ليما ، في منطقة العاصمة بيلو هوريزونتي ، باستثمار 56 مليون دولار أمريكي ، يجب أن يبدأ المصنع العمل في عام 2022 بإنتاج سنوي يبلغ 300 ألف خلية بطارية. في العام الثاني ، من المتوقع أن تصل إلى 1.2 مليون وحدة ، نصف إجمالي السعة المتوقعة. يتوقع الهيكل بالفعل توسعًا مستقبليًا ، والذي سيسمح بالإنتاج السنوي لـ 4.8 مليون خلية.
بطارية السيارة هي في الواقع مجموعة من البطاريات الصغيرة (تسمى الخلايا) ، والتي يتم دمجها ، وتشكيل حزمة ، ويتم إدارتها بواسطة برنامج يسمى BMS (نظام إدارة البطارية أو نظام إدارة البطارية). تم تصميم حزمة خلايا محددة مع اتصالات تسلسلية ومتوازية لكل تطبيق.
تتطلب بطارية الحافلات ، على سبيل المثال ، حوالي 10000 خلية. أبلغ Rodrigo Mesquita ، مدير وحدة الأعمال الجديدة في Codemge ، أن المصنع لن يكون مخصصًا لإنتاج البطاريات. سيتم تنفيذ هذه الوظيفة من قبل الشركات التي تدمج الخلايا وأنظمة BMS.
مُنحت جائزة نوبل في الكيمياء لهذا العام لثلاثة باحثين أجروا أبحاثًا تتعلق ببطاريات الليثيوم"نحن بصدد تحديد الشركاء الذين سينفذون هذا التكامل. نأمل في جذب البعض منهم إلى البرازيل "، كما يقول. يجب أن يتم ترشيح المندمجين من قبل عملاء البطاريات في المستقبل. ومن بين الشركات التي أبدت اهتمامًا بهذه المعدات ، شركة Embraer البرازيلية ، وبوينغ أمريكا الشمالية ولوكهيد مارتن ، والاتحاد الأوروبي إيرباص ، ومرسيدس بنز وبورش الألمانيان.
تم تطوير تقنية خلايا بطارية الليثيوم الكبريت بواسطة Oxis Energy. استثمرت Codemge ، من خلال صندوق الاستثمار Aerotec الذي أنشأته ، العام الماضي 18.6 مليون ريال برازيلي لحصة 12٪ في Oxis Energy وجلبت المشروع الصناعي إلى البرازيل من أجل زيادة كثافة سلسلة إنتاج الليثيوم في ميناس جيرايس. تبرز منطقة Vale do Jequitinhonha ، في الشمال الشرقي من الولاية ، مع إمكانية وضع نفسها كمنتج رئيسي للخام.
ستكون Oxis Brasil أول مصنع على نطاق تجاري لبطاريات الليثيوم والكبريت على هذا الكوكب. التكنولوجيا قيد التطوير في العديد من مراكز البحوث حول العالم. في اليابان ، تعمل Sony على إنشاء بطاريات الهواتف الذكية من المواد ، بينما في الولايات المتحدة ، تقوم شركة Sion Power بتطوير بطاريات مركبات الليثيوم والكبريت. هذا هو أيضًا هدف Projeto Alise ، وهو اتحاد أوروبي مكون من 16 شركة ، تشكل Oxis Energy جزءًا منها ، وينصب تركيزها على تطوير مواد جديدة وفهم العمليات الكهروكيميائية المتضمنة في تكنولوجيا الكبريت والليثيوم.
في عام 2018 ، أنتجت البرازيل 600 طن فقط (طن) من الليثيوم ، وهو حجم يعادل حوالي 0.7٪ من السوق العالمية. تم تنفيذ الإنتاج البرازيلي بواسطة Companhia Brasileira de Litio (CBL) ، وهي شركة تمتلك فيها Codemge حصة ملكية. تقدر هيئة المسح الجيولوجي للبرازيل أن الاحتياطيات الوطنية ، المتمركزة في وادي جيكويتينونها ، تمثل 8 ٪ من خام العالم ، حوالي 14 مليون طن. تعد أستراليا وشيلي أكبر منتجي الليثيوم في العالم ، حيث يبلغ إنتاجهما 51000 طن و 16000 طن على التوالي.
الليثيوم معدن خفيف بكثافة طاقة عالية ، أي أنه قادر على تركيز المزيد من الطاقة في مساحة أصغر مقارنة ببطاريات النيكل والكادميوم المستخدمة في الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة الأولى أو السيارة التقليدية التي تستخدم لحمض الرصاص تنشيط محرك السيارة الاحتراق (انظر Pesquisa FAPESP nº 258).
تصنع معظم بطاريات الليثيوم أيون من مزيج يتكون فيه الأنود (القطب السالب) من كربون الجرافيت ، بينما يتكون القطب السالب (القطب الموجب) من أكسيد الليثيوم ومزيج من المعادن ، بما في ذلك النيكل والمنغنيز والكوبالت. المنحل بالكهرباء (الوسط الذي تنتقل بواسطته ذرات الأيونات بين القطبين) هو خليط من المذيبات العضوية وأملاح الليثيوم.
يوضح Valdirene Peressinotto ، منسق مشاريع البحث والتطوير والابتكار (RD&I) في Codemge ، أنه نظرًا للمواد المستخدمة وعملية الإنتاج ، فإن هذا المزيج من المواد يمثل مشاكل تتعلق بالسلامة عند التعرض لمواقف عصيبة ، مثل التسخين فوق 45 درجة مئوية ، ماس كهربائى وانثقاب ، وهو خطر موجود في حالة اصطدام السيارة.
يتوقع حل البطارية الذي أنشأته Oxis Energy استخدام الليثيوم المعدني في الأنود ، ليحل محل كربون الجرافيت ، ومزيج من الكبريت والكربون في الكاثود. طورت الشركة تقنيتها الخاصة للكاثود والإلكتروليت. تشير الاختبارات التي تم إجراؤها إلى أن هذه البطاريات الجديدة آمنة ، وتعمل بشكل طبيعي في درجات حرارة تتراوح من 60 درجة مئوية تحت الصفر إلى 80 درجة مئوية تحت الصفر ولا تنفجر عند ثقبها أو في حالة ماس كهربائي.
بالإضافة إلى سلامة التشغيل ، هناك ميزة أخرى لبطاريات الليثيوم - الكبريت وهي كثافة الطاقة. بينما تركز بطاريات الليثيوم أيون بحد أقصى 240 واط / ساعة لكل كيلو (Wh / kg) ، تخزن بطاريات الليثيوم-الكبريت 450 واط / كجم. في الممارسة العملية ، هذا يجعل من الممكن بناء بطاريات أصغر وأخف وزنًا توفر للمركبات قدرًا أكبر من الاستقلالية.
هناك حقيقة مهمة ، كما يلاحظ بيريسينوتو ، وهي أن أيونات الليثيوم قريبة بالفعل من حد كفاءتها النظرية ، في حين أن الليثيوم-الكبريت لا يزال لديه إمكانات تطور فيما يتعلق بكثافة الطاقة. "يتوقع Oxis أن يصل إلى كثافة 550 واط / كغم بحلول عام 2020" ، هكذا أبلغ منسق البحث والتطوير في Codemge.
يقع المقر الرئيسي لشركة CBMM في Araxá (MG) ، وهي أكبر منتج عالمي للنيوبيوم (انظر Pesquisa FAPESP no. 277). في عام 2018 ، دخلت في شراكة مع شركة Toshiba Corporation لإنشاء بطارية ليثيوم جديدة. اقتراح قسم البحث والتطوير في Toshiba هو استبدال أنود الكربون بأكاسيد مختلطة من النيوبيوم والتيتانيوم (NTO) ، مع الحفاظ على التكوين التقليدي لسبائك الليثيوم المعدنية في الكاثود.
وفقًا لروجيريو ماركيز ريباس ، المدير التنفيذي للبطاريات في CBMM ، بينما يتفاعل أنود الكربون مع الليثيوم ويولد ضغطًا هيكليًا ، مثل زيادة الحجم بنسبة 13 ٪ أثناء إعادة الشحن ، يتصرف NTO بشكل مختلف. ويؤكد أن "هذا الاختلاف يسمح بمزيد من الطاقة وإعادة الشحن بشكل أسرع".
مقارنة بطاريتين بنفس شحنة الطاقة ، بينما يستغرق إصدار الليثيوم أيون أربع ساعات لإعادة الشحن ، فإن إصدار NTO يحتاج فقط إلى 10 دقائق. تتمتع بطارية NTO أيضًا بمتانة للاستخدام في المركبات على مدار 15 عامًا ، في حين أن الحد الذي تم الحصول عليه بالفعل في بطارية الليثيوم أيون هو من 5 إلى 10 سنوات. ميزة أخرى هي أن أنود NTO يوفر أمانًا أكبر في حالات الإجهاد بسبب التسخين أو الحفر.
تدعو الشراكة بين CBMM و Toshiba كل من الشركات إلى استثمار 7.2 مليون دولار أمريكي في مصنع تجريبي ، يتم بناؤه في يوكوهاما باليابان ، وسوف ينتج الوحدات الأولى للاختبار في غضون عامين. يقول ريباس: "نتوقع أن تتم الموافقة على التكنولوجيا من قبل العملاء في عام 2021 ، والتي ستكون ضمانًا لبناء خط إنتاج على نطاق صناعي".
ووفقًا له ، فإن مشروعًا آخر لاستخدام النيوبيوم في البطاريات يتم تنفيذه بواسطة شركة North American Wildcat Discovery Technologies في سان دييغو ، كاليفورنيا. CBMM هي أيضًا شريك في المشروع ، والذي يهدف إلى استخدام النيوبيوم في الكاثود. المشروع في المرحلة الأولى من التطوير.
يعكس البحث عن أداء أفضل في البطاريات القابلة لإعادة الشحن للسيارات الكهربائية جهدًا عالميًا بدأ منذ بضعة عقود. أعلنت الأكاديمية السويدية الملكية للعلوم عن جائزة نوبل في الكيمياء لعام 2019 ، حيث مُنحت جائزة نوبل في الكيمياء لعالم الرياضيات والفيزيائي الأمريكي جون بانيستر جودينو والكيميائي البريطاني إم ستانلي ويتنجهام والكيميائي الياباني أكيرا يوشينو لدراساتهم على مدار عامي 1970 و 1980 والتي أدى إلى تطوير وإنتاج بطاريات الليثيوم أيون الحديثة.
وفقًا لتقرير Global EV Outlook 2019 الذي نشرته وكالة الطاقة الدولية (IEA) ، يتضمن العمل الرئيسي الجاري اليوم تغييرات في الخصائص الكيميائية للبطاريات ، مثل الكاثودات المصنوعة من أكسيد الليثيوم والتركيب المعدني المكون من 80٪ من النيكل ، 10٪ منجنيز و 10٪ كوبالت ، على عكس الحالية التي تمتلك نصيبًا متساويًا من المعادن الثلاثة.
خط آخر للتطوير هو كاثودات الليثيوم مع النيكل والكوبالت وأكسيد الألومنيوم ، وهو محلول يستخدم فقط في البطاريات الصغيرة. المادة الأكثر دراسة للتطبيق في الأنودات هي مركب السيليكون الجرافيت. تتوقع صناعة السيارات تقدمًا كبيرًا في زيادة كثافة الطاقة وخفض التكاليف بحلول عام 2025.
تجاوز الأسطول العالمي من السيارات الكهربائية (النقية والهجينة) 5.1 مليون سيارة في عام 2018 ، وبلغ أسطول الحافلات 460 ألف وحدة ، وفقًا لوكالة الطاقة الدولية. تشمل التوقعات لعام 2030 سيناريوهات يتراوح فيها أسطول السيارات من 130 مليون إلى 250 مليونًا. في البرازيل ، بلغ عدد السيارات الكهربائية والهجينة 10.6 ألف وحدة في عام 2018 ، وفقًا لبيانات الرابطة الوطنية لمصنعي السيارات (Anfavea). لا توجد توقعات للسوق البرازيلية ، لكن توقع توسيع الأسطول الوطني يحفز الشركات على إنتاج بطاريات الليثيوم أيون محليًا.
قامت شركة Grupo Moura ، الشركة المصنعة التقليدية لبطاريات المركبات الرصاصية ، بتأسيس وحدة بحث وتطوير لبطارية الليثيوم في مقرها الرئيسي في بيلو جارديم (PE). لا يزال في عام 2019 ، الإصدار الأول للرافعات الشوكية يصل إلى السوق. كما دخلت الشركة في شراكة مع American Xalt Energy ، الحائزة على تكنولوجيا بطاريات المركبات الثقيلة ، بهدف خدمة سوق الحافلات في البداية. تم توقيع عقد مع شركة Eletra المصنعة في ساو باولو (انظر Pesquisa FAPESP nº 283).
أبلغ فرناندو كاستيلاو ، مدير قسم الليثيوم في مورا ، أن الشركة ستقوم بتكييف بطاريات Xalt مع ظروف الاستخدام في البرازيل. تم تصميم مصنع مورا الجديد الذي تم افتتاحه في عام 2018 لإنتاج هذا المنتج. وفقًا لكاستيلاو ، تتطلب بطاريات الليثيوم أيون احتياطات أمان خاصة لضمان الإغلاق الكافي والحماية من ملامسة الماء. يحتاجون أيضًا إلى نظام تبريد للحفاظ على درجة الحرارة الصحيحة. "تخضع المركبات في البرازيل لظروف مناخية مختلفة عن تلك الموجودة في البلدان الشمالية" ، يبرز الجهاز التنفيذي.
في ساو باولو ، تعمل Electrocell ، وهي شركة مقرها في مركز الابتكار وريادة الأعمال والتكنولوجيا (Cietec) التابع لجامعة ساو باولو (USP) ، على تطوير بطاريات ليثيوم أيون للمركبة منذ عام 2007 ، وهي تقنية ناشئة عن مشروع متعلق بخلايا الوقود بدعم من برنامج الأنابيب التابع لـ FAPESP. دخلت الشركة في شراكة مع شركة Brasil VE Superleves ، وهي شركة تجميع وطنية للمركبات ذات هيكل مضغوط للغاية مثبتة في Anhanguera Business Park ، في Cajamar (SP) ، ومن المتوقع أن تبدأ نشاطها الصناعي في ديسمبر. الهدف هو إنتاج ما بين 40 و 200 وحدة شهريًا ، بما في ذلك سيارات الركاب بمقعدين وأربعة مقاعد ، وشاحنات صغيرة وحافلات ذات 12 و 24 مقعدًا.
مهندس كيميائي متخصص في تصنيع بطاريات الليثيوم في ألمانيا ، يشير مدير Electrocell Gerhard Ett إلى أن الشركة ستقوم في البداية باستيراد الخلايا ودمج بطاريات الليثيوم في البلاد. ستأتي الدفعة الأولى من ألمانيا ، ولكن الشركة لديها أيضًا اتصالات تجارية في الصين والولايات المتحدة وكوريا الجنوبية. “هدفنا هو تنفيذ جميع الإنتاج محليًا. لدينا بالفعل المعرفة التقنية اللازمة وقد أتقن عملية التصنيع. يقول إيت ، وهو أيضًا أستاذ في مركز جامعة FEI في ساو برناردو دو كامبو (SP) ، "نحتاج فقط إلى الحجم لبدء الإنتاج".
بالنسبة للمهندس الميكانيكي باولو هنريكي دي ميلو سانتانا ، من مركز الهندسة والنمذجة والعلوم الاجتماعية التطبيقية في الجامعة الفيدرالية في ABC (Cecs-UFABC) ، فإن إتقان إنتاج البطاريات سيكون أمرًا استراتيجيًا في مستقبل التنقل الكهربائي. ووفقا له ، من الضروري للبرازيل أن تضع نفسها كمطور للتكنولوجيا وليس مجرد مشتر للمنتجات النهائية. "ما زلنا لا نعرف ما إذا كانت مبادرات مثل CBMM و Toshiba أو Codemge with Oxis ستتمتع بالجدوى الاقتصادية والقدرة على زيادة أداء بطاريات الليثيوم الحالية ، ولكن من الرائع أن يشارك البرازيليون في عملية التطوير" ، كما صرح.
المشاريع
- تطوير مركبات الجرافيت المحقونة المطبقة في العمليات الكيميائية (رقم 04 / 09113-3) ؛ طريقة البحث المبتكر في الأعمال الصغيرة (الأنابيب) ؛ باحث مسؤول فولكمار إت (الكتروسيل) ؛ استثمار R $ 601،848.93.
- تطوير وبناء خط تجميع خلايا الوقود شبه الأوتوماتيكي (رقم 04 / 13975-0) ؛ طريقة البحث المبتكر في الأعمال الصغيرة (الأنابيب) ؛ اتفاقية Finep Pipe-Pappe ؛ باحث مسؤول جيرهارد إت (الكتروسيل) ؛ الاستثمار R $ 433،815.72.
- تطوير خلايا الوقود المدمجة مع البرامج والأجهزة للمراقبة والتشخيص والتحكم والأجهزة الطرفية (nº 00 / 13120-4) ؛ طريقة البحث المبتكر في الأعمال الصغيرة (الأنابيب) ؛ باحث مسؤول جيرهارد إت (الكتروسيل) ؛ استثمار R $ 352،705.02.
