Les batteries au lithium sont utilisées pour stocker l'énergie dans les véhicules électriques, un marché avec une grande marge d'expansion au Brésil
Le Brésil pourrait bientôt rejoindre le groupe de pays qui fabriquent des batteries pour la mobilité électrique, un segment mené par la Chine, les États-Unis, le Japon et la Corée du Sud. Au moins quatre initiatives, impliquant des entreprises nationales en collaboration avec des entreprises étrangères, sont en cours dans le pays à cette fin. Dans la plupart d'entre eux, la technologie des batteries a été ou est en cours de développement par le partenaire international.
L'un des projets est piloté par la Minas Gerais Development Company (Codemge), qui a conclu un accord en 2018 avec la société anglaise Oxis Energy pour constituer la première usine de cellules de batteries lithium-soufre (Li-S) à l'échelle industrielle au monde. monde. La technologie, selon Oxis, offre des performances et une sécurité supérieures à celles des batteries lithium-ion, la principale solution qui alimente le marché des véhicules électriques.
Le fabricant traditionnel de batteries Moura, le développeur de systèmes de piles à combustible Electrocell et un consortium qui réunit les mineurs de la société brésilienne de métallurgie et d'exploitation minière (CBMM) et les japonais de Toshiba envisagent également de s'implanter dans ce segment.
Dans un premier temps, la cible d'Oxis Brasil, entreprise issue du partenariat entre Codemge et Oxis Energy, sera le segment des véhicules lourds, tels que les bus et camions, et les industries de la défense et de l'aérospatiale, avec des applications dans les drones, les satellites et véhicules électriques à décollage et atterrissage verticaux (eVTOL).
Prévu pour être construit à Nova Lima, dans la région métropolitaine de Belo Horizonte, avec un investissement de 56 millions de dollars US, l'usine devrait commencer à fonctionner en 2022 avec une production annuelle de 300000 cellules de batterie. La deuxième année, on s'attend à atteindre 1,2 million d'unités, soit la moitié de la capacité totale attendue. La structure prévoit déjà une future expansion, qui permettra la production annuelle de 4,8 millions de cellules.
Une batterie de véhicule est en fait un ensemble de petites batteries (appelées cellules), qui sont intégrées, formant un package, et gérées par un logiciel appelé BMS (Battery Management System). Pour chaque application, un ensemble spécifique de cellules est conçu avec des connexions en série et en parallèle.
Une batterie pour bus, par exemple, nécessite environ 10 000 cellules. Rodrigo Mesquita, directeur de l'unité New Business de Codemge, informe que l'usine ne se consacrera pas à la production des batteries. Cette fonction sera assurée par des entreprises qui intègrent des cellules et des systèmes BMS.
Le prix Nobel de chimie de cette année a été décerné à trois chercheurs qui ont mené des recherches sur les batteries au lithium«Nous sommes en train de définir les partenaires qui feront cette intégration. Nous espérons en attirer certains au Brésil », dit-il. Les intégrateurs doivent être désignés par les futurs clients batteries. Parmi les entreprises qui ont déjà manifesté leur intérêt pour l'équipement figurent le brésilien Embraer, le nord-américain Boeing et Lockheed Martin, le consortium européen Airbus et l'allemand Mercedes-Benz et Porsche.
La technologie des cellules de batterie au lithium-soufre a été développée par Oxis Energy. Codemge, à travers le fonds d'investissement Aerotec, créé par lui, a investi l'année dernière 18,6 millions de R $ pour une participation de 12% dans Oxis Energy et a amené le projet industriel au Brésil afin de densifier la chaîne de production du lithium dans le Minas Gerais. La région de la vallée de Jequitinhonha, dans le nord-est de l'État, émerge avec le potentiel de se positionner comme un important producteur de minerai.
Oxis Brasil sera la première usine à échelle commerciale de batteries lithium-soufre de la planète. La technologie est en cours de développement dans plusieurs centres de recherche à travers le monde. Au Japon, Sony travaille à créer des batteries de smartphone avec les matériaux, tandis qu'aux États-Unis, Sion Power Corporation développe des batteries de véhicules au lithium-soufre. C'est également l'objectif du projet Alise, un consortium européen formé de 16 entreprises, dont Oxis Energy fait partie, dont l'objectif est le développement de nouveaux matériaux et la compréhension des processus électrochimiques impliqués dans la technologie du soufre et du lithium.
En 2018, le Brésil n'a produit que 600 tonnes (t) de lithium, un volume équivalent à environ 0,7% du marché mondial. La production brésilienne a été réalisée par Companhia Brasileira de Lítio (CBL), une société dans laquelle Codemge détient une participation. La Commission géologique du Brésil estime que les réserves nationales, concentrées dans la vallée de Jequitinhonha, représentent 8% du minerai mondial, soit environ 14 millions de tonnes. L'Australie et le Chili sont les plus grands producteurs mondiaux de lithium, avec respectivement 51 000 t et 16 000 t.
Le lithium est un métal léger avec une densité d'énergie élevée, c'est-à-dire qu'il est capable de concentrer plus d'énergie dans un espace plus petit par rapport aux batteries nickel-cadmium utilisées dans les premiers téléphones portables et ordinateurs portables ou aux batteries plomb-acide automobiles conventionnelles utilisées pour démarrer le moteur thermique (voir Pesquisa FAPESP n ° 258).
La plupart des batteries lithium-ion sont construites avec une combinaison dans laquelle l'anode (pôle négatif) est en carbone graphite, tandis que la cathode (pôle positif) est composée d'oxyde de lithium et d'un mélange métallique, qui comprend du nickel, manganèse et cobalt. L'électrolyte (le milieu à travers lequel les atomes d'ions se déplacent entre les pôles) est un mélange de solvants organiques et de sels de lithium.
Valdirene Peressinotto, coordinateur des projets de recherche, développement et innovation (RD&I) chez Codemge, explique qu'en raison des matériaux utilisés et du processus de production, cette combinaison de matériaux présente des problèmes de sécurité lorsqu'elle est exposée à des situations stressantes, comme le chauffage au-dessus. 45 oC, court-circuit et forage, un risque qui existe en cas de collision de véhicule.
La solution de batterie créée par Oxis Energy prévoit l'utilisation de lithium métallique à l'anode, remplaçant le carbone graphite, et une combinaison de soufre et de carbone à la cathode. L'entreprise a développé sa propre technologie pour la cathode et l'électrolyte. Les tests effectués indiquent que ces nouvelles batteries sont sûres, fonctionnent normalement à des températures allant de 60 ° C à 80 ° C et n'explosent pas lorsqu'elles sont percées ou en condition de court-circuit.
Outre la sécurité de fonctionnement, un autre avantage des batteries lithium-soufre est la densité énergétique. Alors que les concentrés de lithium-ion ont un maximum de 240 watts-heure par kilo (Wh / kg), le lithium-soufre stocke 450 Wh / kg. En pratique, cela permet de construire des batteries plus petites et plus légères, offrant une plus grande autonomie aux véhicules.
Un fait important, observe le Peressinotto, est que les batteries lithium-ion sont déjà proches de leur limite d'efficacité théorique, tandis que les batteries lithium-soufre ont encore un potentiel d'évolution par rapport à la densité énergétique. "Oxis s'attend à atteindre une densité de 550 Wh / kg dès 2020", informe le coordinateur RD&I de Codemge.
Basée à Araxá (MG), CBMM est le plus grand producteur mondial de niobium (voir Pesquisa FAPESP n ° 277). En 2018, il s'est associé à Toshiba Corporation pour créer une nouvelle batterie au lithium. La proposition du département R&D de Toshiba est de remplacer l'anode de carbone par des oxydes mixtes de niobium et de titane (NTO), en conservant la configuration traditionnelle d'un alliage de lithium et de métal à la cathode.
Selon Rogério Marques Ribas, directeur exécutif des batteries chez CBMM, alors que l'anode en carbone réagit au lithium et génère des contraintes structurelles, comme une augmentation de 13% du volume lors de la recharge, le NTO a un comportement différent. «Cette différence permet une plus grande puissance et plus de vitesse de recharge», souligne-t-il.
En comparant deux batteries avec la même charge énergétique, alors que la version lithium-ion met quatre heures à se recharger, la version NTO n'a besoin que de 10 minutes. La batterie NTO a également une durabilité pour une utilisation dans les véhicules sur 15 ans, alors que la limite déjà obtenue dans les batteries lithium-ion est de cinq à 10 ans. Un autre avantage est que l'anode NTO offre plus de sécurité dans les situations de contraintes dues à l'échauffement ou au forage.
Le partenariat entre CBMM et Toshiba prévoit que chacune des entreprises investira 7,2 millions de dollars dans une usine pilote, qui est en cours de construction à Yokohama, au Japon, et produira les premières unités à tester d'ici deux ans. «Notre attente est de faire approuver la technologie par les clients en 2021, ce qui sera la garantie de la construction d'une ligne de production à l'échelle industrielle», déclare Ribas.
Selon lui, un autre projet d'utilisation du niobium dans les batteries est mené par la North American Wildcat Discovery Technologies, à San Diego, en Californie. CBMM est également partenaire du projet, dont l'objectif est l'utilisation de niobium dans la cathode. Le projet est à un stade précoce de développement.
La recherche de meilleures performances dans les batteries rechargeables pour véhicules électriques reflète un effort mondial qui a commencé il y a quelques décennies. Annoncé par l'Académie royale des sciences de Suède en octobre, le prix Nobel de chimie 2019 a été décerné au mathématicien et physicien américain John Bannister Goodenough, au chimiste britannique M. Stanley Whittingham et au chimiste japonais Akira Yoshino pour leurs études au fil des ans. 1970 et 1980 et cela a conduit au développement et à la production commerciale de batteries lithium-ion modernes.
Selon le rapport Global EV Outlook 2019 publié par l'Agence internationale de l'énergie (AIE), les principaux travaux en cours aujourd'hui concernent des changements dans les caractéristiques chimiques des batteries, telles que des cathodes construites avec de l'oxyde de lithium et une composition métallique formée à 80% de nickel, 10% de manganèse et 10% de cobalt, contrairement aux actuels, qui ont une part égale des trois métaux.
Une autre ligne de développement est celle des cathodes au lithium avec du nickel, du cobalt et de l'oxyde d'aluminium, une solution utilisée uniquement dans les petites batteries. Le matériau le plus étudié pour l'application d'anode est le composite silicium-graphite. L'industrie automobile s'attend à des progrès significatifs dans l'augmentation de la densité énergétique et la réduction des coûts d'ici 2025.
Le parc mondial de voitures électriques (pures et hybrides) a dépassé 5,1 millions de véhicules en 2018 et le parc de bus a atteint 460000 unités, selon l'AIE. L'attente pour 2030 comprend des scénarios dans lesquels le parc automobile variera de 130 millions à 250 millions. Au Brésil, le nombre de véhicules électriques et hybrides a atteint 10600 unités en 2018, selon les données de l'Association nationale des constructeurs de véhicules automobiles (Anfavea). Il n'y a pas de projections pour le marché brésilien, mais l'attente d'une expansion de la flotte nationale incite les entreprises à produire des batteries lithium-ion localement.
Grupo Moura, un fabricant traditionnel de batteries de véhicules au plomb-acide, a créé une unité de R&D sur les batteries au lithium à son siège social à Belo Jardim (PE). Toujours en 2019, une première version pour chariots élévateurs arrive sur le marché. La société a également conclu un partenariat avec la société américaine Xalt Energy, propriétaire de la technologie des batteries pour véhicules lourds, avec pour objectif d'approvisionner le marché des bus dans un premier temps. Un contrat a été signé avec le fabricant de São Paulo Eletra (voir Pesquisa FAPESP nº 283).
Fernando Castelão, directeur de la division Lítio da Moura, informe que l'entreprise adaptera les batteries Xalt aux conditions d'utilisation au Brésil. Une nouvelle usine Moura ouverte en 2018 est conçue pour produire l'article. Selon Castelão, les batteries lithium-ion nécessitent des précautions de sécurité spéciales pour assurer une étanchéité et une protection adéquates en cas de contact avec l'eau. Ils ont également besoin d'un système de refroidissement pour maintenir la bonne température. «Les véhicules au Brésil sont soumis à des conditions climatiques différentes de celles des pays du Nord», souligne l'exécutif.
À São Paulo, Electrocell, une entreprise hébergée au Centre d'innovation, d'entrepreneuriat et de technologie (Cietec) de l'Université de São Paulo (USP), travaille depuis 2007 au développement de batteries lithium-ion pour véhicules, technologie issue d'un projet lié aux piles à combustible. soutenu par le programme Pipe de la FAPESP. La société a conclu un partenariat avec Brasil VE Superleves, un constructeur national de véhicules avec châssis supercompact installé au Parque Empresarial Anhanguera, à Cajamar (SP), avec une prévision de démarrage de son activité industrielle en décembre. L'objectif est de produire entre 40 et 200 unités par mois, entre les véhicules de tourisme de deux et quatre places, les mini camions et les bus de 12 et 24 places.
Ingénieur chimiste spécialisé dans la fabrication de batteries au lithium en Allemagne, le directeur d'Electrocell Gerhard Ett précise que dans un premier temps l'entreprise va importer les cellules et faire l'intégration des batteries au lithium dans le pays. Le premier lot viendra d'Allemagne, mais l'entreprise a également des contacts commerciaux en Chine, aux États-Unis et en Corée du Sud. «Notre objectif est de réaliser toute la production localement. Nous avons déjà les connaissances techniques nécessaires et maîtrisons le processus de fabrication. Nous avons juste besoin d'échelle pour démarrer la production », déclare Ett, qui est également professeur au Centro Universitário FEI, à São Bernardo do Campo (SP).
Pour l'ingénieur en mécanique Paulo Henrique de Mello Sant'Ana, du Centre d'Ingénierie, de Modélisation et de Sciences Sociales Appliquées de l'Université Fédérale d'ABC (Cecs-UFABC), le domaine de la production de batteries sera stratégique dans un futur de la mobilité électrique. Selon lui, il est essentiel pour le Brésil de se positionner en tant que développeur technologique et pas seulement acheteur de produits prêts à l'emploi. «Nous ne savons toujours pas si des initiatives telles que CBMM et Toshiba ou Codemge avec Oxis auront une viabilité économique et la capacité d'augmenter les performances des batteries au lithium actuelles, mais il est excellent que les Brésiliens soient impliqués dans le processus de développement», dit-il.
Projets
- Développement de composites de graphite injecté appliqués dans les procédés chimiques (n ° 04 / 09113-3); Modalité de recherche innovante dans les petites entreprises (Pipe); Chercheur responsable Volkmar Ett (Electrocell); Investissement 601 848,93 R $.
- Développement et construction d'une ligne d'assemblage semi-automatique pour piles à combustible (n ° 04 / 13975-0); Modalité de recherche innovante dans les petites entreprises (Pipe); Accord Finep Pipe-Pappe; Chercheur responsable Gerhard Ett (Electrocell); Investissement R $ 433 815,72.
- Développement de piles à combustible intégrées avec des logiciels et du matériel pour la surveillance, le diagnostic, le contrôle et les périphériques (nº 00 / 13120-4); Modalité de recherche innovante dans les petites entreprises (Pipe); Chercheur responsable Gerhard Ett (Electrocell); Investissement R $ 352 705,02.
