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锂电池用于电动汽车储能，巴西市场潜力巨大

巴西可能很快就会加入以中国、美国、日本和韩国为首的电动汽车电池制造国。至少有四项涉及本国公司与外国公司合作的举措正在该国进行那个目的。其中大部分电池技术已经或正在由国际合作伙伴开发。

其中一个项目由米纳斯吉拉斯州开发公司 (Codemge) 牵头，该公司于 2018 年与英国 Oxis Energy 公司签署协议，在该地区建立第一家工业规模的锂硫 (Li-S) 电池工厂. 世界。据 Oxis 称，该技术的性能和安全性优于锂离子电池，锂离子电池是供应电动汽车市场的主要解决方案。

传统电池制造商 Moura、燃料电池系统开发商 Electrocell 和一个由 Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineração (CBMM) 和日本东芝的矿工组成的财团也计划在这一领域立足。

最初，Codemge 和 Oxis Energy 合作的项目 Oxis Brasil 的目标将是重型车辆领域，如公共汽车和卡车，以及国防和航空航天工业，应用在无人机、卫星和垂直领域。起降电动车辆（eVTOL）。

该工厂计划建在贝洛奥里藏特大都市区的新利马，投资5600万美元，将于2022年投产，年产30万个电池芯。第二年，预计达到120万台，是预计总产能的一半。该结构已经预见了未来的扩展，这将允许每年生产 480 万个电池。

汽车电池实际上是一组小型电池（称为电芯），它们集成在一起，形成一个封装，并由称为BMS（Battery Management System 或电池管理系统）的软件进行管理。具有串行和并行连接的特定电池包专为每种应用而设计。

例如，公交车的电池需要大约 10,000 个电池。 Codemge 新业务部门经理 Rodrigo Mesquita 表示，该工厂将不会专门生产电池。该功能将由集成单元和 BMS 系统的公司执行。

“我们正在确定将进行这种整合的合作伙伴。我们希望将其中一些人吸引到巴西”，他说。集成商应由未来的电池客户提名。已经对该设备表现出兴趣的公司包括巴西航空工业公司、北美波音和洛克希德马丁公司、欧洲财团空中客车公司以及德国梅赛德斯-奔驰和保时捷。

锂硫电池技术由 Oxis Energy 开发。 Codemge 去年通过其创建的 Aerotec 投资基金投资 1860 万雷亚尔收购 Oxis Energy 12% 的股份，并将该工业项目带到巴西，以增厚米纳斯吉拉斯州的锂生产链。位于该州东北部的 Vale do Jequitinhonha 地区具有将自己定位为主要矿石生产商的潜力。

Oxis Brasil 将成为地球上第一家商业规模的锂硫电池工厂。该技术正在世界各地的多个研究中心进行开发。在日本，索尼致力于用这种材料制造智能手机电池，而在美国，Sion Power Corporation 开发锂硫汽车电池。这也是 Projeto Alise 的目标，这是一个由 16 家公司组成的欧洲财团，其中 Oxis Energy 是其中的一部分，其重点是新材料的开发以及对硫和锂技术中涉及的电化学过程的理解。

2018年，巴西仅生产了600吨（t）锂，约占全球市场的0.7%。巴西的生产由 Companhia Brasileira de Litio (CBL) 进行，Codemge 在其中拥有股权。巴西地质调查局估计，集中在 Jequitinhonha 山谷的国家储量占世界矿石的 8%，约为 1400 万吨。澳大利亚和智利是全球最大的锂生产国，分别为 51,000 吨和 16,000 吨。

锂是一种具有高能量密度的轻金属，也就是说，与最初用于手机和笔记本电脑的镍镉电池或用于汽车的传统铅酸汽车相比，它能够在更小的空间内集中更多的能量。启动内燃机（见 Pesquisa FAPESP nº 258）。

大多数锂离子电池采用组合结构，其中阳极（负极）由石墨碳制成，而阴极（正极）由氧化锂和包括镍、锰和钴在内的金属混合物制成。电解质（离子原子在两极之间移动的介质）是有机溶剂和锂盐的混合物。

Codemge 研究、开发和创新 (RD&I) 项目协调员 Valdirene Peressinotto 解释说，由于使用的材料和生产过程，这种材料组合在暴露于压力情况下时会出现安全问题，例如加热超过 45 oC，短路和穿孔，车辆发生碰撞时存在的风险。

Oxis Energy 创建的电池解决方案预见在阳极使用金属锂，取代石墨碳，并在阴极使用硫和碳的组合。该公司开发了自己的阴极和电解液技术。进行的测试表明，这些新电池是安全的，可在负 60oC 至负 80oC 的温度范围内正常运行，并且在刺破或短路情况下不会爆炸。

除了操作安全，锂硫电池的另一个优势是能量密度。锂离子电池每公斤最多可集中 240 瓦时 (Wh/kg)，而锂硫电池可储存 450 Wh/kg。在实践中，这使得制造更小、更轻的电池成为可能，从而为车辆提供更大的自主性。

Peressinotto 观察到，一个重要的事实是锂离子电池已经接近其理论效率极限，而锂硫电池在能量密度方面仍然具有进化潜力。 “Oxis 预计到 2020 年将达到 550 Wh/kg 的密度”，Codemge 的 RD&I 协调员告知。

CBMM 总部位于阿拉沙 (MG)，是全球最大的铌生产商（见 Pesquisa FAPESP 第 277 号）。 2018年，与东芝公司合作，打造新型锂电池。东芝研发部门的提议是用铌钛混合氧化物（NTO）代替碳阳极，在阴极保持锂金属合金的传统配置。

根据 CBMM 电池执行经理 Rogério Marques Ribas 的说法，虽然碳阳极与锂反应并产生结构应力，例如在充电过程中体积增加 13%，但 NTO 的行为有所不同。 “这种差异允许更大的功率和更快的充电”，他强调说。

比较相同能量充电的两块电池，锂离子版本需要四个小时充电，而NTO版本只需10分钟。 NTO 电池还具有 15 年以上的车辆使用耐久性，而锂离子电池已经达到了 5 到 10 年的极限。另一个优点是 NTO 阳极在因加热或钻孔而产生应力的情况下提供更高的安全性。

CBMM 和东芝之间的合作伙伴关系要求两家公司投资 720 万美元在日本横滨建造一座试验工厂，并将在两年内生产第一批用于测试的装置。 “我们的期望是在 2021 年获得客户认可的技术，这将成为建设工业规模生产线的保证”，Ribas 说。

据他介绍，位于加利福尼亚州圣地亚哥的 North American Wildcat Discovery Technologies 正在开展另一个在电池中使用铌的项目。 CBMM 也是该项目的合作伙伴，其目标是在阴极中使用铌。该项目处于开发初期。

寻求更好的电动汽车充电电池性能反映了几十年前开始的全球努力。瑞典皇家科学院于 10 月宣布，2019 年诺贝尔化学奖授予美国数学家和物理学家约翰·班尼斯特·古迪纳夫、英国化学家 M.斯坦利·惠廷厄姆和日本化学家吉野明，以表彰他们在 1970 年和 1980 年的研究。导致了现代锂离子电池的开发和商业化生产。

根据国际能源署 (IEA) 发布的 2019 年全球电动汽车展望报告，今天正在进行的主要工作涉及电池化学特性的变化，例如由氧化锂构成的阴极和由 80% 镍形成的金属成分, 10% 的锰和 10% 的钴，不同于目前的三种金属的份额相等。

另一条发展路线是含有镍、钴和氧化铝的锂阴极，这是一种仅用于小型电池的解决方案。研究最多的用于阳极的材料是硅-石墨复合材料。汽车行业预计到 2025 年将在提高能源密度和降低成本方面取得重大进展。

根据国际能源署的数据，2018 年全球电动汽车（纯电动和混合动力）车队超过 510 万辆，巴士车队达到 460,000 辆。 2030 年的预期包括汽车保有量在 1.3 亿至 2.5 亿之间的情景。根据全国汽车制造商协会 (Anfavea) 的数据，巴西 2018 年电动和混合动力汽车的数量达到 1.06 万辆。没有对巴西市场的预测，但国家车队扩张的预期促使公司在当地生产锂离子电池。

Grupo Moura 是一家传统的车载铅电池制造商，已在其位于 Belo Jardim (PE) 的总部设立了锂电池研发部门。仍然在 2019 年，叉车的第一个版本上市。该公司还与美国 Xalt Energy 建立了合作伙伴关系，该公司是重型车辆电池技术的持有者，目的是首先服务于公共汽车市场。与圣保罗制造商 Eletra 签订了合同（见 Pesquisa FAPESP nº 283）。

Moura 锂部门主管 Fernando Castelão 表示，该公司将根据巴西的使用条件调整 Xalt 电池。 2018 年开设的新 Moura 工厂旨在生产该产品。 Castelão 表示，锂离子电池需要特殊的安全预防措施，以确保充分密封并防止与水接触。他们还需要一个冷却系统来保持正确的温度。 “巴西的车辆受到与北方国家不同的气候条件的影响”，这位高管强调说。

在圣保罗，位于圣保罗大学 (USP) 创新、创业和技术中心 (Cietec) 的 Electrocell 自 2007 年以来一直致力于汽车锂离子电池的开发，该技术源自于FAPESP 的 Pipe 计划支持的与燃料电池相关的项目。该公司与 Brasil VE Superleves 建立了合作伙伴关系，该公司是一家安装在卡哈马尔 (SP) 的 Anhanguera 商业园区的超紧凑型底盘汽车的全国组装商，预计将于 12 月开始其工业活动。目标是每月生产 40 至 200 辆，包括两座和四座乘用车、迷你卡车和 12 座和 24 座公共汽车。

在德国专门从事锂电池制造的化学工程师，Electrocell Gerhard Ett 的主管指出，该公司最初将进口电芯并在该国整合锂电池。第一批将来自德国，但该公司在中国、美国和韩国也有商业联系。“我们的目标是在当地进行所有生产。我们已经掌握了必要的技术知识并掌握了制造工艺。我们只需要规模来开始生产，”埃特说，他也是圣贝尔纳多杜坎波 (SP) 的 FEI 大学中心的教授。

对于来自 ABC 联邦大学 (Cecs-UFABC) 工程、建模和应用社会科学中心的机械工程师 Paulo Henrique de Mello Sant'Ana 而言，掌握电池的生产对于电动汽车的未来将具有战略意义。据他介绍，巴西必须将自己定位为技术开发商，而不仅仅是成品买家。 “我们仍然不知道像 CBMM 和 Toshiba 或 Codemge with Oxis 这样的举措是否具有经济可行性和提高当前锂电池性能的能力，但巴西人参与到开发过程中是非常好的，”他宣称。

项目

1. 开发应用于化学工艺的注射石墨复合材料（编号 04/09113-3）；小企业模式创新研究（管道）；责任研究员 沃尔克马埃特 （电芯）；投资 601,848.93 雷亚尔。
2. 半自动燃料电池组装线的开发和建设（nº 04/13975-0）；小企业模式创新研究（管道）； Finep Pipe-Pappe 协议；责任研究员 格哈德·埃特 （电芯）；投资 433,815.72 雷亚尔。
3. 开发与软件和硬件集成的燃料电池，用于监测、诊断、控制和外围设备（编号 00/13120-4）；小企业模式创新研究（管道）；责任研究员 格哈德·埃特 （电芯）；投资 352,705.02 雷亚尔。