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리튬 배터리는 전기 자동차의 에너지를 저장하는 데 사용되며 브라질에서 확장 가능성이 큰 시장입니다.

브라질은 곧 중국, 미국, 일본, 한국이 주도하는 전기 이동용 배터리 제조 국가 그룹에 합류할 수 있습니다. 그 목적. 대부분의 배터리 기술은 국제 파트너가 개발했거나 개발 중입니다.

프로젝트 중 하나는 Minas Gerais Development Company(Codemge)가 이끌고 있으며, 2018년 영국 회사인 Oxis Energy와 이 지역에 리튬-황(Li-S) 배터리 셀을 생산하는 최초의 산업 규모 공장을 설립하기로 계약을 체결했습니다. 세계. 옥시스에 따르면 이 기술은 전기차 시장에 공급하는 주력 솔루션인 리튬이온 배터리보다 우수한 성능과 안전성을 갖고 있다.

전통적인 배터리 제조업체인 Moura, 연료 전지 시스템 개발자인 Electrocell, CBMM(Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineração)의 광부와 Toshiba의 일본인을 한데 모은 컨소시엄도 이 부문에서 자리를 잡을 계획입니다.

처음에 Codemge와 Oxis Energy 간의 파트너십으로 인한 사업인 Oxis Brasil의 목표는 버스 및 트럭과 같은 대형 차량 부문, 그리고 드론, 위성 및 수직 이륙 및 착륙 전기 자동차(eVTOL).

미화 5,600만 달러를 투자하여 벨루오리존치 수도권 노바리마에 건설할 예정인 이 공장은 연간 30만 개의 배터리 셀을 생산하여 2022년부터 가동을 시작할 예정입니다. 두 번째 해에는 예상 총 용량의 절반인 120만 대에 도달할 것으로 예상됩니다. 이 구조는 연간 480만 개의 셀을 생산할 수 있는 향후 확장을 이미 예상하고 있습니다.

차량 배터리는 실제로 BMS(Battery Management System 또는 배터리 관리 시스템)라는 소프트웨어에 의해 통합되어 패키지를 형성하고 관리되는 작은 배터리 세트(셀이라고 함)입니다. 직렬 및 병렬 연결이 있는 특정 셀 패키지는 각 애플리케이션에 맞게 설계되었습니다.

예를 들어 버스용 배터리에는 약 10,000개의 셀이 필요합니다. Codemge의 신규 사업부 매니저인 Rodrigo Mesquita는 공장이 배터리 생산에 전념하지 않을 것이라고 알립니다. 이 기능은 세포와 BMS 시스템을 통합하는 회사에서 수행됩니다.

올해 노벨화학상은 리튬전지 관련 연구를 수행한 3명의 연구원에게 돌아갔다.

“우리는 이 통합을 수행할 파트너를 정의하는 과정에 있습니다. 우리는 그들 중 일부를 브라질로 유치하기를 희망합니다.”라고 그는 말합니다. 통합업체는 미래의 배터리 고객이 지명해야 합니다. 이미 이 장비에 관심을 보인 기업 중에는 브라질의 엠브라에르, 북미의 보잉과 록히드마틴, 유럽 컨소시엄인 에어버스, 독일의 메르세데스-벤츠와 포르쉐 등이 있다.

리튬-황 배터리 셀 기술은 Oxis Energy에서 개발했습니다. Codemge는 자사가 만든 Aerotec 투자 펀드를 통해 작년에 Oxis Energy의 12% 지분에 1,860만 R$를 투자했으며 Minas Gerais의 리튬 생산 체인을 강화하기 위해 산업 프로젝트를 브라질로 가져왔습니다. 주 북동쪽에 있는 Vale do Jequitinhonha 지역은 주요 광석 생산지로 자리매김할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

Oxis Brasil은 지구상에서 리튬-황 배터리를 위한 상업적 규모의 첫 번째 공장이 될 것입니다. 이 기술은 전 세계 여러 연구 센터에서 개발 중입니다. 일본에서는 Sony가 이 소재로 스마트폰 배터리를 만드는 작업을 하고 있고, 미국에서는 Sion Power Corporation이 리튬-황 차량 배터리를 개발하고 있습니다. 이것은 또한 16개 회사로 구성된 유럽 컨소시엄인 Projeto Alise의 목표이기도 합니다. 이 중 Oxis Energy는 황 및 리튬 기술과 관련된 전기화학 공정의 이해와 신소재 개발에 중점을 두고 있습니다.

2018년 브라질은 세계 시장의 약 0.7%에 해당하는 600톤(t)의 리튬을 생산했습니다. 브라질 생산은 Codemge가 지분을 가지고 있는 회사인 Companhia Brasileira de Litio(CBL)에서 수행했습니다. 브라질 지질 조사국(Geological Survey of Brazil)은 제퀴티혼하 계곡(Jequitinhonha Valley)에 집중된 국가 매장량이 세계 광석의 8%인 약 1,400만 톤을 차지한다고 추정합니다. 호주와 칠레는 각각 51,000t 및 16,000t으로 세계 최대 리튬 생산국입니다.

리튬은 에너지 밀도가 높은 경금속으로 최초의 휴대전화와 노트북에 사용된 니켈-카드뮴 배터리나 기존의 납축전지에 비해 더 작은 공간에 더 많은 에너지를 집중할 수 있다. 연소 차량 엔진을 활성화합니다(Pesquisa FAPESP nº 258 참조).

대부분의 리튬 이온 배터리는 양극(음극)이 흑연 탄소로 만들어지고 음극(양극)이 산화리튬과 니켈, 망간, 코발트 등의 금속 혼합물로 만들어진 조합으로 만들어집니다. 전해질(이온 원자가 극 사이를 이동하는 매개체)은 유기 용매와 리튬 염의 혼합물입니다.

Codemge의 연구, 개발 및 혁신(RD&I) 프로젝트 코디네이터인 Valdirene Peressinotto는 사용된 재료와 생산 공정으로 인해 이러한 재료 조합은 45oC 이상의 가열과 같은 스트레스가 많은 상황에 노출될 때 안전 문제를 야기한다고 설명합니다. 단락 및 천공, 차량 충돌 시 존재하는 위험.

Oxis Energy가 만든 배터리 솔루션은 양극에 금속 리튬을 사용하고 흑연 탄소를 대체하고 황과 탄소의 조합을 음극에 사용하는 것을 예상합니다. 양극과 전해질은 독자적으로 기술을 개발했다. 수행된 테스트에 따르면 이 새 배터리는 안전하고 영하 60°C ~ 영하 80oC 범위의 온도에서 정상적으로 작동하며 구멍이 나거나 단락 상태에서 폭발하지 않습니다.

작동 안전성 외에도 리튬-황 배터리의 또 다른 장점은 에너지 밀도입니다. 리튬 이온 배터리는 킬로당 최대 240와트시(Wh/kg)를 집중하는 반면, 리튬-황 배터리는 450Wh/kg을 저장합니다. 실제로 이것은 차량에 더 큰 자율성을 제공하는 더 작고 가벼운 배터리를 만드는 것을 가능하게 합니다.

중요한 사실은 리튬 이온 물질이 이미 이론적인 효율 한계에 근접한 반면, 리튬 황 물질은 에너지 밀도와 관련하여 발전 가능성이 있다는 것입니다. "Oxis는 2020년까지 550Wh/kg의 밀도에 도달할 것으로 예상합니다"라고 Codemge의 RD&I 코디네이터에 알립니다.

Araxá(MG)에 본사를 두고 있는 CBMM은 세계 최대의 니오븀 생산업체입니다(Pesquisa FAPESP no. 277 참조). 2018년에는 Toshiba Corporation과 제휴하여 새로운 리튬 배터리를 만들었습니다. Toshiba R&D 부서의 제안은 탄소 양극을 니오븀과 티타늄의 혼합 산화물(NTO)로 교체하여 음극에서 리튬 금속 합금의 전통적인 구성을 유지하는 것입니다.

CBMM의 배터리 책임자인 Rogério Marques Ribas에 따르면 탄소 양극은 리튬과 반응하여 재충전 시 부피가 13% 증가하는 등 구조적 응력을 생성하지만 NTO는 다르게 동작합니다. "이 차이는 더 큰 전력과 더 빠른 재충전을 가능하게 합니다"라고 그는 강조합니다.

동일한 에너지 충전량으로 두 개의 배터리를 비교하면 리튬 이온 버전은 재충전하는 데 4시간이 걸리는 반면 NTO 버전은 10분이면 충분합니다. NTO 배터리도 15년 이상 차량용으로 사용할 수 있는 내구성을 갖고 있는 반면, 리튬이온 배터리에서는 이미 5년에서 10년까지 한계가 있다. 또 다른 장점은 NTO 양극이 가열 또는 드릴링으로 인한 스트레스 상황에서 더 큰 안전성을 제공한다는 것입니다.

CBMM과 도시바의 파트너십을 통해 각 회사는 일본 요코하마에 건설 중인 파일럿 플랜트에 720만 달러를 투자하고 2년 이내에 테스트를 위한 첫 번째 장치를 생산할 예정입니다. "우리의 기대는 2021년에 고객으로부터 기술 승인을 받는 것이며, 이는 산업적 규모의 생산 라인 건설을 보장하는 것입니다"라고 Ribas는 말합니다.

그에 따르면 배터리에 니오븀을 사용하기 위한 또 다른 프로젝트가 캘리포니아 샌디에이고에 있는 North American Wildcat Discovery Technologies에서 수행되고 있다고 합니다. CBMM은 음극에 니오븀을 사용하는 것을 목표로 하는 프로젝트의 파트너이기도 합니다. 프로젝트는 개발 초기 단계에 있습니다.

전기 자동차용 충전식 배터리의 더 나은 성능에 대한 탐색은 수십 년 전에 시작된 세계적인 노력을 반영합니다. 10월 스웨덴 왕립과학원에서 발표한 2019년 노벨 화학상은 1970년과 1980년에 걸친 연구를 통해 미국 수학자이자 물리학자인 John Bannister Goodenough, 영국 화학자 M. Stanley Whitingham, 일본 화학자 Akira Yoshino에게 수여되었습니다. 현대 리튬 이온 배터리의 개발 및 상업 생산으로 이어졌습니다.

국제에너지기구(IEA)가 발간한 글로벌 전기차 전망 2019 보고서에 따르면, 현재 진행 중인 주요 작업은 리튬 산화물로 구성된 양극과 80%의 니켈로 이루어진 금속 조성 등 배터리의 화학적 특성 변화다. , 10% 망간과 10% 코발트, 3가지 금속이 같은 비율로 존재하는 현재의 것과는 다릅니다.

또 다른 개발 라인은 소형 배터리에만 사용되는 솔루션인 니켈, 코발트 및 산화알루미늄이 포함된 리튬 음극입니다. 양극에 적용하기 위해 가장 많이 연구된 재료는 실리콘-흑연 합성물입니다. 자동차 산업은 2025년까지 에너지 밀도를 높이고 비용을 줄이는 데 상당한 발전을 기대하고 있습니다.

IEA에 따르면 2018년 전 세계 전기 자동차(순수 및 하이브리드) 차량은 510만 대를 넘어섰고 버스 차량은 46만 대에 도달했습니다. 2030년에 대한 예상에는 자동차 차량 수가 1억 3천만에서 2억 5천만에 이르는 시나리오가 포함됩니다. 미국 자동차 자동차 제조업체 협회(Anfavea)의 데이터에 따르면 브라질의 전기 및 하이브리드 자동차 수는 2018년에 1060만 대에 도달했습니다. 브라질 시장에 대한 예측은 없지만 국가 함대의 확장에 대한 기대는 기업들이 현지에서 리튬 이온 배터리를 생산하도록 동기를 부여합니다.

차량용 납 배터리의 전통적인 제조업체인 Grupo Moura는 벨로 자르딤(PE)에 있는 본사에 리튬 배터리 R&D 부서를 설립했습니다. 여전히 2019년에 지게차용 첫 번째 버전이 시장에 출시됩니다. 이 회사는 또한 처음에는 버스 시장에 서비스를 제공한다는 목표로 대형 차량용 배터리 기술 보유자인 American Xalt Energy와 파트너십을 체결했습니다. 상파울루 제조업체 Eletra와 계약이 체결되었습니다(Pesquisa FAPESP nº 283 참조).

Moura의 리튬 사업부 이사인 Fernando Castelão는 회사가 브라질의 사용 조건에 맞게 Xalt 배터리를 조정할 것이라고 알립니다. 2018년에 문을 연 새로운 Moura 공장은 해당 품목을 생산하도록 설계되었습니다. Castelão에 따르면 리튬 이온 배터리는 적절한 밀봉과 물 접촉에 대한 보호를 보장하기 위해 특별한 안전 예방 조치가 필요합니다. 또한 정확한 온도를 유지하기 위해 냉각 시스템이 필요합니다. "브라질의 차량은 북부 국가와 다른 기후 조건의 영향을 받습니다."라고 경영진은 강조합니다.

상파울루에서 USP(University of São Paulo)의 Cietec(Center for Innovation, Entrepreneurship and Technology)에 소속된 회사인 Electrocell은 2007년부터 차량용 리튬 이온 배터리 개발에 참여해 왔습니다. FAPESP의 파이프 프로그램이 지원하는 연료 전지 관련 프로젝트. 이 회사는 Cajamar(SP)의 Anhanguera 비즈니스 파크에 설치된 초소형 섀시가 장착된 차량의 국가 조립업체인 Brasil VE Superleves와 파트너십을 체결했으며 12월부터 산업 활동을 시작할 예정입니다. 목표는 2~4인승 승용차, 미니트럭, 12~24인승 버스를 포함해 월 40~200대를 생산하는 것이다.

독일에서 리튬 배터리 제조를 전문으로 하는 화학 엔지니어인 Electrocell Gerhard Ett의 이사는 처음에 회사가 셀을 수입하고 독일에서 리튬 배터리를 통합할 것이라고 지적합니다. 첫 번째 배치는 독일에서 올 것이지만 회사는 중국, 미국 및 한국에서도 상업적 접촉을 갖고 있습니다.“우리의 목표는 모든 생산을 현지에서 수행하는 것입니다. 우리는 이미 필요한 기술 지식을 보유하고 있으며 제조 공정을 마스터했습니다. 생산을 시작하려면 규모만 있으면 됩니다.”라고 São Bernardo do Campo(SP)에 있는 FEI 대학 센터의 교수이기도 한 Ett는 말합니다.

연방 ABC 대학(Cecs-UFABC)의 엔지니어링, 모델링 및 응용 사회 과학 센터의 기계 엔지니어 Paulo Henrique de Mello Sant'Ana에게 배터리 생산을 마스터하는 것은 전기 이동성의 미래에서 전략적이 될 것입니다. 그에 따르면 브라질은 완제품 구매자가 아니라 기술 개발자로 자리매김하는 것이 중요합니다. "CBMM 및 Toshiba 또는 Codemge with Oxis와 같은 이니셔티브가 경제적 실행 가능성과 현재 리튬 배터리의 성능을 향상시킬 수 있는지 여부는 아직 알 수 없지만 브라질이 개발 프로세스에 참여하는 것은 훌륭합니다"라고 그는 선언합니다.

프로젝트

1. 화학 공정에 적용되는 주입 흑연 복합재 개발(nº 04/09113-3); 소기업(파이프)의 혁신적인 연구 방식; 책임연구원 볼크마르 에트 (전기전지); 투자 R$ 601,848.93.
2. 반자동 연료 전지 조립 라인의 개발 및 건설(nº 04/13975-0); 소기업(파이프)의 혁신적인 연구 방식; Finep Pipe-Pappe 계약; 책임연구원 게르하르트 에트 (전기전지); 투자 R$433,815.72.
3. 모니터링, 진단, 제어 및 주변 장치를 위한 소프트웨어 및 하드웨어와 통합된 연료 전지 개발(nº 00/13120-4) 소기업(파이프)의 혁신적인 연구 방식; 책임연구원 게르하르트 에트 (전지); 투자 R$352,705.02.

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