Las baterías de litio se utilizan para almacenar energía en vehículos eléctricos, un mercado con gran margen de expansión en Brasil
Brasil podría sumarse próximamente al grupo de países fabricantes de baterías para movilidad eléctrica, segmento liderado por China, Estados Unidos, Japón y Corea del Sur. Al menos cuatro iniciativas, que involucran a empresas nacionales en colaboración con empresas extranjeras, están en marcha en país para ese propósito. En la mayoría de ellos, la tecnología de baterías fue o está siendo desarrollada por el socio internacional.
Uno de los proyectos está encabezado por la Compañía de Desarrollo de Minas Gerais (Codemge), que cerró un acuerdo en 2018 con la empresa inglesa Oxis Energy para constituir la primera planta a escala industrial de celdas de baterías de litio-azufre (Li-S) en el mundo. mundo. La tecnología, según Oxis, tiene mayor desempeño y seguridad que las baterías de iones de litio, la principal solución que abastece al mercado de vehículos eléctricos.
El tradicional fabricante de baterías Moura, el desarrollador de sistemas de pilas de combustible Electrocell y un consorcio que une a los mineros de la Empresa Brasileña de Minería y Metalurgia (CBMM) y los japoneses de Toshiba también planean establecerse en este segmento.
En un principio, el objetivo de Oxis Brasil, emprendimiento resultante de la alianza entre Codemge y Oxis Energy, será el segmento de vehículos pesados, como autobuses y camiones, y las industrias de defensa y aeroespacial, con aplicaciones en drones, satélites y vehículos eléctricos de despegue y aterrizaje verticales (eVTOL).
Proyectada para ser construida en Nova Lima, en la Región Metropolitana de Belo Horizonte, con una inversión de US $ 56 millones, la fábrica debiera comenzar a operar en 2022 con una producción anual de 300 mil celdas de batería. En el segundo año, la expectativa es llegar a 1,2 millones de unidades, la mitad de la capacidad total esperada. La estructura ya prevé una futura expansión, que permitirá la producción anual de 4,8 millones de células.
La batería de un vehículo es en realidad un conjunto de pequeñas baterías (llamadas celdas), que están integradas, formando un paquete y administradas por un software llamado BMS (Sistema de administración de baterías). Se diseña un paquete específico de celdas para cada aplicación con conexiones en serie y en paralelo.
Una batería para autobuses, por ejemplo, requiere alrededor de 10.000 celdas. Rodrigo Mesquita, gerente de la unidad de Nuevos Negocios de Codemge, informa que la fábrica no se dedicará a producir las baterías. Esta función será realizada por empresas que integran células y sistemas BMS.
El Premio Nobel de Química de este año fue otorgado a tres investigadores que realizaron investigaciones relacionadas con las baterías de litio.“Estamos en el proceso de definir los socios que harán esta integración. Esperamos atraer a algunos de ellos a Brasil ”, dice. Los integradores deben ser designados por futuros clientes de baterías. Entre las empresas que ya han manifestado interés en el equipamiento se encuentran la brasileña Embraer, la norteamericana Boeing y Lockheed Martin, el consorcio europeo Airbus y las alemanas Mercedes-Benz y Porsche.
La tecnología de celda de batería de litio-azufre fue desarrollada por Oxis Energy. Codemge, a través del fondo de inversión Aerotec, creado por ella, invirtió el año pasado R $ 18,6 millones por una participación del 12% en Oxis Energy y llevó el proyecto industrial a Brasil con el fin de densificar la cadena productiva del litio en Minas Gerais. La región de Vale do Jequitinhonha, en el noreste del estado, se destaca con el potencial de posicionarse como una gran productora del mineral.
Oxis Brasil será la primera fábrica a escala comercial de baterías de litio-azufre del planeta. La tecnología está en desarrollo en varios centros de investigación de todo el mundo. En Japón, Sony trabaja para crear baterías para teléfonos inteligentes con los materiales, mientras que en Estados Unidos, Sion Power Corporation desarrolla baterías de litio y azufre para vehículos. Este es también el objetivo del Proyecto Alise, un consorcio europeo formado por 16 empresas, de las que Oxis Energy forma parte, cuyo foco es el desarrollo de nuevos materiales y el conocimiento de los procesos electroquímicos implicados en la tecnología del azufre y el litio.
En 2018, Brasil produjo solo 600 toneladas (t) de litio, un volumen equivalente a aproximadamente el 0,7% del mercado mundial. La producción brasileña fue realizada por Companhia Brasileira de Lítio (CBL), empresa en la que Codemge tiene participación accionaria. El Servicio Geológico de Brasil estima que las reservas nacionales, concentradas en el Valle de Jequitinhonha, representan el 8% del mineral en el mundo, de alrededor de 14 millones de toneladas. Australia y Chile son los mayores productores mundiales de litio, con 51 mil ty 16 mil t, respectivamente.
El litio es un metal ligero con una alta densidad energética, es decir, es capaz de concentrar más energía en un espacio más reducido en comparación con las baterías de níquel-cadmio que se utilizaron en los primeros teléfonos móviles y portátiles o la automoción convencional de plomo-ácido utilizada para arrancar el motor de combustión (ver Pesquisa FAPESP nº 258).
La mayoría de las baterías de iones de litio están construidas con una combinación en la que el ánodo (polo negativo) está hecho con carbono de grafito, mientras que el cátodo (polo positivo) está compuesto de óxido de litio y una mezcla de metales, que incluye níquel, manganeso y cobalto. El electrolito (el medio a través del cual los átomos de iones se mueven entre los polos) es una mezcla de solventes orgánicos y sales de litio.
Valdirene Peressinotto, coordinadora de proyectos de investigación, desarrollo e innovación (I + D + I) de Codemge, explica que, por los materiales utilizados y el proceso de producción, esta combinación de materiales presenta problemas de seguridad ante situaciones de estrés, como el calentamiento por encima de 45 oC, cortocircuito y perforación, riesgo que existe en caso de colisión vehicular.
La solución de batería creada por Oxis Energy prevé el uso de litio metálico en el ánodo, en sustitución del carbono de grafito y una combinación de azufre y carbono en el cátodo. La empresa desarrolló su propia tecnología para el cátodo y el electrolito. Las pruebas realizadas indican que estas nuevas baterías son seguras, normalmente operan a temperaturas que oscilan entre los 60 oC negativos y los 80 oC positivos y no explotan al pincharse o en condición de cortocircuito.
Además de la seguridad operativa, otra ventaja de las baterías de litio-azufre es la densidad de energía. Mientras que los concentrados de iones de litio tienen un máximo de 240 vatios-hora por kilo (Wh / kg), el litio-azufre almacena 450 Wh / kg. En la práctica, esto permite construir baterías más pequeñas y ligeras, que proporcionan una mayor autonomía a los vehículos.
Un dato importante, observa Peressinotto, es que las baterías de iones de litio ya están cerca de su límite teórico de eficiencia, mientras que las de litio-azufre aún tienen potencial de evolución en relación a la densidad energética. "Oxis espera alcanzar una densidad de 550 Wh / kg ya en 2020", informa el coordinador de I + D + i de Codemge.
Con sede en Araxá (MG), CBMM es el mayor productor mundial de niobio (ver Pesquisa FAPESP no 277). En 2018, se asoció con Toshiba Corporation para crear una nueva batería de litio. La propuesta del departamento de I + D de Toshiba es reemplazar el ánodo de carbono con óxidos mixtos de niobio y titanio (NTO), manteniendo la configuración tradicional de una aleación de litio y metal en el cátodo.
Según Rogério Marques Ribas, gerente ejecutivo de baterías de CBMM, mientras el ánodo de carbono reacciona al litio y genera estrés estructural, como un aumento del 13% en el volumen durante la recarga, el NTO tiene un comportamiento diferente. Esta diferencia permite una mayor potencia y más velocidad en la recarga ”, destaca.
Comparando dos baterías con la misma carga de energía, mientras que la versión de iones de litio tarda cuatro horas en recargarse, la versión NTO solo necesita 10 minutos. La batería NTO también tiene una durabilidad para uso en vehículos de más de 15 años, mientras que el límite ya obtenido en baterías de iones de litio es de cinco a 10 años. Otra ventaja es que el ánodo NTO proporciona más seguridad en situaciones de estrés por calentamiento o perforación.
La asociación entre CBMM y Toshiba predice que cada una de las compañías invertirá $ 7.2 millones en una planta piloto, que se está construyendo en Yokohama, Japón, y producirá las primeras unidades para pruebas dentro de dos años. “Nuestra expectativa es tener la tecnología aprobada por los clientes en 2021, que será la garantía para la construcción de una línea de producción a escala industrial”, dice Ribas.
Según él, otro proyecto para el uso de niobio en baterías lo está llevando a cabo la estadounidense Wildcat Discovery Technologies, en San Diego, California. CBMM también es socio del proyecto, cuyo objetivo es el uso de niobio en el cátodo. El proyecto se encuentra en una etapa inicial de desarrollo.
La búsqueda de un mejor rendimiento en baterías recargables para vehículos eléctricos refleja un esfuerzo mundial que comenzó hace algunas décadas. Anunciado por la Real Academia Sueca de Ciencias en octubre, el Premio Nobel de Química 2019 fue otorgado al matemático y físico estadounidense John Bannister Goodenough, al químico británico M. Stanley Whittingham y al químico japonés Akira Yoshino por sus estudios a lo largo de los años. 1970 y 1980 y eso llevó al desarrollo y la producción comercial de modernas baterías de iones de litio.
Según el informe Global EV Outlook 2019 publicado por la Agencia Internacional de Energía (AIE), el principal trabajo en curso en la actualidad implica cambios en las características químicas de las baterías, como cátodos construidos con óxido de litio y una composición metálica formada con un 80% de níquel, 10% manganeso y 10% cobalto, a diferencia de los actuales, que tienen una participación igual de los tres metales.
Otra línea de desarrollo es la de los cátodos de litio con níquel, cobalto y óxido de aluminio, solución que se utiliza únicamente en baterías pequeñas. El material más estudiado para la aplicación de ánodos es el compuesto de silicio-grafito. La industria automotriz espera un progreso significativo en el aumento de la densidad de energía y la reducción de costos para 2025.
La flota mundial de coches eléctricos (puros e híbridos) superó los 5,1 millones de vehículos en 2018 y la flota de autobuses alcanzó las 460.000 unidades, según la AIE. La expectativa para el 2030 incluye escenarios en los que la flota de automóviles variará de 130 millones a 250 millones. En Brasil, el número de vehículos eléctricos e híbridos alcanzó las 10.600 unidades en 2018, según datos de la Asociación Nacional de Fabricantes de Automóviles (Anfavea). No hay proyecciones para el mercado brasileño, pero la expectativa de ampliar la flota nacional motiva a las empresas a producir localmente baterías de iones de litio.
Grupo Moura, un fabricante tradicional de baterías de plomo-ácido para vehículos, estableció una unidad de I + D de baterías de litio en su sede de Belo Jardim (PE). Aún en 2019 llega al mercado una primera versión para carretillas elevadoras. La compañía también se asoció con la empresa estadounidense Xalt Energy, propietaria de tecnología de baterías para vehículos pesados, con el objetivo de atender, en un primer momento, el mercado de autobuses. Se firmó un contrato con el fabricante de São Paulo Eletra (ver Pesquisa FAPESP nº 283).
Fernando Castelão, director de la División Lítio da Moura, informa que la empresa adaptará las baterías Xalt a las condiciones de uso en Brasil. Una nueva fábrica de Moura inaugurada en 2018 está diseñada para producir el artículo. Según Castelão, las baterías de iones de litio requieren precauciones especiales de seguridad para garantizar un sellado y protección adecuados en relación con el contacto con el agua. También necesitan un sistema de refrigeración para mantener la temperatura correcta. “Los vehículos en Brasil están sujetos a condiciones climáticas diferentes a las de los países del Norte”, destaca el ejecutivo.
En São Paulo, Electrocell, empresa ubicada en el Centro de Innovación, Emprendimiento y Tecnología (Cietec) de la Universidad de São Paulo (USP), trabaja en el desarrollo de baterías de iones de litio para vehículos desde 2007, tecnología proveniente de un proyecto relacionado con pilas de combustible. apoyado por el programa Pipe de la FAPESP. La empresa se asoció con Brasil VE Superleves, fabricante nacional de vehículos con chasis supercompacto instalado en el Parque Empresarial Anhanguera, en Cajamar (SP), con previsión de iniciar su actividad industrial en diciembre. El objetivo es producir entre 40 y 200 unidades mensuales, entre vehículos de pasajeros de dos y cuatro asientos, mini camiones y autobuses de 12 y 24 asientos.
Ingeniero químico especializado en la fabricación de baterías de litio en Alemania, el director de Electrocell Gerhard Ett señala que inicialmente la empresa importará las celdas y realizará la integración de baterías de litio en el país. El primer lote vendrá de Alemania, pero la empresa también tiene contactos comerciales en China, Estados Unidos y Corea del Sur. “Nuestro objetivo es realizar toda la producción localmente. Ya tenemos los conocimientos técnicos necesarios y dominamos el proceso de fabricación. Solo necesitamos escalar para comenzar la producción ”, dice Ett, quien también es profesor en el Centro Universitário FEI, en São Bernardo do Campo (SP).
Para el ingeniero mecánico Paulo Henrique de Mello Sant'Ana, del Centro de Ingeniería, Modelado y Ciencias Sociales Aplicadas de la Universidad Federal de ABC (Cecs-UFABC), el dominio de la producción de baterías será estratégico en un futuro de movilidad eléctrica. Según él, es fundamental que Brasil se posicione como un desarrollador de tecnología y no solo como un comprador de productos listos. “Aún no sabemos si iniciativas como CBMM y Toshiba o Codemge con Oxis tendrán viabilidad económica y la capacidad de incrementar el desempeño de las baterías de litio actuales, pero es excelente que los brasileños estén involucrados en el proceso de desarrollo”, dice.
Proyectos
- Desarrollo de composites de grafito inyectado aplicados en procesos químicos (nº 04 / 09113-3); Modalidad Investigación Innovadora en Pequeñas Empresas (Pipe); Investigador responsable Volkmar Ett (Electrocell); Inversión R $ 601.848,93.
- Desarrollo y construcción de una línea de montaje semiautomática para pilas de combustible (nº 04 / 13975-0); Modalidad Investigación Innovadora en Pequeñas Empresas (Pipe); Acuerdo Finep Pipe-Pappe; Investigador a cargo Gerhard Ett (Electrocell); Inversión R $ 433.815,72.
- Desarrollo de pilas de combustible integradas con software y hardware para monitorización, diagnóstico, control y periféricos (nº 00 / 13120-4); Modalidad Investigación Innovadora en Pequeñas Empresas (Pipe); Investigador a cargo Gerhard Ett (Electrocell); Inversión R $ 352.705,02.
