Revista >> Decembrie 2022 [Nr. 250] >> Cover Story

HYDRA, un proiect european de cercetare reprezentativ pentru viitorul mobilității electrice

Cosmin UNGUREANU, Alexandru RIZOIU, Mihaela BUGA – ICSI Rm. Valcea

13 Decembrie 2022

Institutul Naţional de Cercetare-Dezvoltare pentru Tehnologii Criogenice şi Izotopice – ICSI Rm. Vâlcea a fost la mijlocul lunii noiembrie gazda întâlnirii partenerilor din cadrul Hydra: Hybrid power-energy electrodes for next generation lithium-ion batteries, un proiect complex de cercetare europeană, ajuns la mijlocul perioadei de implementare. Desfășurat în cadrul programului Orizont 2020, cel mai amplu program de Cercetare şi Inovare al Uniunii Europeane, Hydra reuneşte 12 parteneri europeni din industrie şi cercetare pe drumul dezvoltării de electrozi hibrizi care combină simultan densitatea de energie şi putere a bateriilor Litiu-ion de generaţie viitoare. Conectat la cursa mobilității electrice și a tranziției energetice, proiectul are drept miză majoră producerea, în Europa, de baterii Li-ion de înaltă performanţă, sustenabile din punct de vedere ecologic şi economic.

Stocarea energiei din surse regenerabile - motor esenţial al cererii de baterii
Tranziţia către vehiculele electrice va avea un impact puternic asupra cererii pentru materiile prime, deşi, este dificil să se facă previziuni specifice având în vedere ritmul rapid al inovaţiei în domeniul bateriilor, în special din domeniul automotive, care va continua să schimbe structura materialelor utilizate. Odată cu creşterea industriei Electric Vehicles, se anticipează ca în următorii ani să intre pe piaţa un număr mare de baterii care, la un moment dat, vor ajunge la sfârşitul vieţii, ridicând întrebări despre ce ar trebui să se întâmple cu aceste baterii: fie vor fi reciclate, fie vor fi utilizate în alt tip de aplicaţii - staţionare. Aceste baterii – Li-ion conţin materiale care adesea combină importanţa economică majoră cu riscul de aprovizionare (de exemplu Li şi Co). Dezvoltarea unui lanţ valoric viabil al bateriilor Li-ion în Europa, în conformitate cu obiectivele Comisiei Europene, necesită un acces stabil şi echitabil la materialele componente ale bateriilor. Realizarea unor niveluri ridicate de reciclare a bateriilor poate sprijini furnizarea de materiale pentru lanţul valoric al bateriilor. De asemenea, bateriile sunt considerate de Pactul Ecologic European – Green Deal, o tehnologie generică esenţială pentru competitivitatea multor sectoare, aşa cum este raportat în toate documentele prezentate de Alianţa europeană pentru baterii (EBA), Batteries Europe Partnership Association BEPA, Battery 2030+, şi Batteries Europe ETIP. Scopul principal este de a promova sustenabilitatea competitivă pentru viitoarea industrie a bateriilor din UE şi de a stimula un lanţ valoric durabil şi circular al bateriilor din UE.
Deşi aceste sectoare avansează rapid, acestea necesită în cele din urmă noi tehnologii de baterii care să răspundă cererii privind densitatea de energie/putere, compoziţia, costurile şi siguranţa. Pe măsură ce ne apropiem de capacitatea teoretică posibilă a materialelor active, ajungem la un blocaj privind îmbunătăţirea bateriilor şi dezvoltarea domeniilor conexe. Prin urmare, este necesară tranziţia către următoarea generaţie de materiale pentru baterii.
În prezent, industria europeană depinde de importul de baterii asiatice Litiu-ion. Cota UE pentru fabricarea celulelor este de doar 3%, în timp ce ponderea asiatică a producţiei de celule este de 85%. Din acest motiv, este obligatorie crearea unui nou lanţ valoric industrial capabil să asigure producţia şi furnizarea de baterii 100% europene.
Pe lângă provocările de natură tehnică, creşterea aşteptată din sectorul stocării energiei ridică, de asemenea, probleme de durabilitate ecologică. Eforturi considerabile au fost depuse pentru a găsi noi strategii care permit tehnologiei actuale cu ioni de litiu să avanseze şi pentru a depăşi barierele date. Este posibil să fie necesare îmbunătăţiri simultane ale mai multor aspecte sau componente ale stadiului actual al tehnicii.

De asemenea, procesele actuale de fabricare a catozilor LIB se bazează în principal pe utilizarea de solvenţi organici, în special N-metil-pirolidona (NMP). Dezavantajele parţial acceptate pentru acest sistem constau în toxicitatea ridicată, cu un potenţial risc de a provoca accidente semnificative şi încălcări ale siguranţei în procesul de fabricaţie şi pentru utilizatorii finali. Atunci când se utilizează solvenţi organici, trebuie luate în considerare problemele de mediu, costul solventului şi costul sistemului de recuperare a NMP-ului. În plus, creşterea consumului de energie necesară pentru procesul de producţie în mediu organic determină un parametru caracteristic de energie specifică relativ ridicat, ceea ce duce la o eficienţă generală scăzută. Luând în considerare faptul că politicile energetice europene şi globale se bazează pe un sistem energetic sigur, competitiv şi decarbonizat în anii următori, îmbunătăţirea necesară a performanţelor bateriilor trebuie realizată prin dezvoltarea unor procese de producţie a catodului cu amprentă de mediu scăzută.
Drept urmare a politicilor de susţinere şi a reducerii costurilor ca principale motoare de dezvoltare a vehiculelor electrice, se aşteaptă ca piaţa globală să ajungă la 125 de milioane de vehicule electrice până în 2030. Această implementare va fi însoţită de o creştere a capacităţii de producţie a bateriilor, pentru care tehnologia Li-ion va rămâne probabil alegerea preferată în următorul deceniu. Densitatea energetică şi rata ridicată de descărcare a acestora le fac potrivite pentru aplicaţiile de mobilitate, în special în zonele urbane. Cu toate acestea, există în continuare mai multe dezavantaje, care pot împiedica dezvoltarea vehiculelor electrice în ritmul accelerat ce se doreşte a fi menţinut. Aceste puncte care împiedică dezvoltarea accelerată a celulelor sunt prezente în diferite componente ale bateriei. În cazul electrozilor de tip catod, reducerea materiilor prime critice fără a compromite performanța energetică şi de putere este una dintre cele mai mari provocări, urmată de îmbunătăţirea electrozilor de tip anod, cu scopul de a permite rate de încărcare mai rapide şi creşterea siguranţei electroliţilor pentru a rezista la tensiuni mai mari. Abordarea acestor probleme ar îmbunătăţi performanța globală a ciclului de viaţă din punct de vedere electrochimic, deşi trebuie luaţi în considerare şi factorii economici şi de mediu.

O viziune pentru Europa – HYDRA - cercetare, inovare şi dezvoltare
În cadrul proiectului HYDRA ne-am unit forţele şi îmbinăm cu succes expertiza echipei de cercetare, direcţionată spre acţiuni tehnice, dar şi de comunicare şi diseminare. Împreună ne-am propus să livrăm baterii Litiu-ion fabricate în Europa. Rolul central pe care bateriile îl vor juca în viitorul mobilităţii şi al reţelelor electrice inteligente este pe scară largă acceptat, chiar dacă este mult de muncă în ceea ce priveşte cercetarea şi investiţiile pentru generarea acestui viitor sustenabil. Factorii de decizie politică sunt conştienţi de această imagine de ansamblu, iar cercetarea în domeniul bateriilor în Europa se află în centrul unui ecosistem complex de politici industriale şi competitivitate. În timp ce laboratoarele de baterii din întreaga lume anunţă aproape zilnic noi progrese în domeniul materialelor de electrozi, un număr tot mai mare de investitori şi jucători de top lucrează intens pentru a construi aşa-numitele gigafabrici de baterii: Suedia, Norvegia, Germania, Italia şi alte ţări ale UE.

Cu toate acestea, know-how-ul pentru producerea de baterii Li-ion de înaltă performanţă nu este suficient. Următoarea generaţie de baterii Li-ion fabricate în Europa trebuie concepute ca produse durabile din prima zi, încă de la aprovizionarea materialelor, producţie, utilizare şi reutilizare, până la reciclare cu reintroducerea în fluxul de producţie al materialelor recuperate. Aceasta înseamnă reducerea la minim a utilizării aşa-numitelor materii prime critice (cobalt şi grafit natural), care sunt rare în Europa şi sunt extrase în altă parte, folosind adesea practici discutabile din punct de vedere etic şi ecologic, extinzând durata de viaţă utilă a bateriei pe cât posibil, facilitând reutilizarea acesteia într-o aplicaţie denumită second life, permiţând dezasamblarea finală pentru reciclare. Încadrarea tuturor acestor cerinţe nu este o sarcină banală şi aici intră în joc cercetări precum cele realizate în cadrul proiectului HYDRA.
HYDRA - Hybrid power-energy electrodes for next generation lithium-ion batteries este un proiect internaţional de Cercetare şi Inovare în domeniul bateriilor, finanţat de programul ORIZONT 2020, cel mai amplu program de Cercetare şi Inovare derulat de Uniunea Europeană. Proiectul reuneşte parteneri de top din industrie şi cercetare, cu experienţă în domeniul bateriilor Li-ion, şi promovează producerea bateriilor Li-ion de înaltă performanţa cu accent pe durabilitate, disponibilitatea materiilor prime, siguranţă, costuri reduse şi impactul redus asupra mediului, încercând astfel să sprijine industria europeană a bateriilor, aflată într-o continuă dezvoltare. Prin dezvoltarea unor celule Li-ion durabile şi de înaltă performanţă, HYDRA va contribui la viitorul mobilităţii electrice şi va ajuta la susţinerea tranziţiei energetice. Înceea ce priveşte obiectivele HYDRA, sustenabilitatea ecologică şi economică reprezintă obiective cheie ale proiectului.

The EU battery research project HYDRA aims to develop the next generation of Li-ion batteries for the electric mobility market. Project partners from across Europe recently gathered in Râmnicu Vâlcea to discuss the current findings and make plans for producing a batch of prototype battery cells. The meeting was hosted by ICSI, who is responsible for leading the research on Li-ion cell manufacturing in the project. Over the two-day meeting, ICSI provided an on-site tour of the research manufacturing facilities that are used to produce the battery cells in the project. Within the next year, ICSI will work closely with the HYDRA partners to transform the advanced materials developed in the project into high-performing cells. Great to meet in person and see so much progress in the project. Happy to be in ICSI for the 4th biannual meeting. ICSI is another excellent partner in the HYDRA project. Two days of discussions on the future of high-energy Li-ion batteries. Thanks to everyone who made it a success!
Dr. Simon CLARK, SINTEF, coordonator proiect HYDRA

Proiectul HYDRA îşi propune să dezvolte o nouă tehnologie de baterii Li-ion care să depăşească multe dintre deficienţele actuale ale bateriilor pentru vehicule electrice, prin îmbunătăţirea fiecărei componente a sistemului de baterii într-o manieră integrată - dezvoltarea unui design inovativ de electrod prin intermediul unui concept prietenos cu mediul înconjurător – procesare apoasă a electrozilor, precum şi a unor sisteme de electroliţi cu siguranţă ridicată. Conceptul HYDRA foloseşte materiale pentru electrozi, precum fierul, manganul şi siliciul, cu o reducere netă a materiile prime critice - cobalt > 85%. Această viziune este împărtăşită de ICSI, având un rol principal şi important în cadrul proiectului, în calitate de coordonator al activităţilor privind producerea de Li-ion de tip pouch. Proiectul va avea ca rezultat un sistem de baterii unic, care îmbină mai multe caracteristici, inclusiv densitatea energetică superioară, costul redus de producere a electrozilor, creşterea numărului de cicluri şi de reducere a cantităţii de materiale critice folosite.
După mai mult de un an de colaborare virtuală, în perioada 9-10 Noiembrie 2021, partenerii HYDRA s-au adunat la prima întâlnire cu participare fizică, la Grenoble, sediul partenerului CEA (Franţa). Cea de-a doua reuniune bianuală HYDRA, desfăşurată în perioada 19-20 Mai 2022, a avut loc la Torino, sediul partenerului POLIŢO (Italia).
ICSI Râmnicu Vâlcea (România) a fost gazda celei de-a patra reuniuni bianuale, 16-17 noiembrie 2022. Întâlnirea s-a desfăşurat cu succes, atât în spaţiul fizic cât şi „virtual”, parte din parteneri – cercetători ştiinţifici au participat şi on-line. În cadrul reuniunii au participat mai multe persoane din cadrul proiectului HYDRA, precum: Simon Clark, Killian STOKES şi Eibar FLORES - toţi de la SINTEF (Norvegia); Daniele VERSACI, Carlotta FRANCIA de la POLITO (Italia); Christina SCHMITT, Bhawna RANA de la DLR (Germania); Alix LADAM, Sebastien FANTINI de la Solvionic (Franţa); Azzeddine BAKDI de la CORVUS (Norvegia); Alexandru VLAD de la UCL (Belgia) şi Jérémie FONDARD de la CEA (Franţa).