I veicoli moderni contengono già una grande quantità di rame, utilizzato principalmente per il cablaggio. Nel corso dei decenni, le auto sono diventate più grandi e complesse, il che ha comportato un aumento delle esigenze di cablaggio, passando da poche connessioni a migliaia. Il cablaggio è ormai un labirinto che si estende per chilometri all'interno dell'auto. E il peso di questi chilometri di filo si accumula. Il cablaggio è uno dei componenti più pesanti di un veicolo: alcuni pesano oltre 60 kg e contengono in media circa 25 kg di rame.
Le automobili diventano sempre più complesse, richiedendo un numero crescente di cablaggi. E mentre Tesla e altre aziende lavorano per realizzare una rete veicolare semplificata, ottimizzata e più efficiente, IDTechEx prevede che il cablaggio continuerà ad espandersi nei prossimi anni. Tuttavia, la quantità aggiuntiva di rame necessaria per questo crescente cablaggio è nettamente inferiore alla nuova domanda di rame generata dall'elettrificazione.
La costruzione di un sistema di propulsione elettrica richiede numerosi componenti ad alto contenuto di rame, non necessari in precedenza per i veicoli con motore a combustione interna. I motori di trazione, i cablaggi ad alta tensione, l'inverter e il caricabatterie richiedono ciascuno tra i 10 e i 15 kg di rame. Il motore è il fattore determinante in questo intervallo, con elementi come la presenza di un singolo motore o di due motori e il design del motore che hanno un impatto significativo sulla quantità di rame necessaria. Tuttavia, la richiesta di rame per questi singoli componenti rimane bassa rispetto a quella della batteria. Secondo uno studio di IDTechEx, una batteria media da 64 kWh in un'auto elettrica richiede 25,4 kg di rame.
Le proprietà elettriche e chimiche del rame lo rendono ideale per l'utilizzo in tutta la batteria. Ciascuna delle celle della batteria, che sono centinaia o migliaia, contiene una lamina di rame che conduce l'energia fuori dalla cella. Inoltre, grandi barre di rame attraversano tutta la batteria, trasportando l'energia da tutte le celle e trasferendola ai cavi ad alta tensione e, infine, all'elettronica di potenza e al motore.
Naturalmente, il rame non è l'unico elemento in grado di svolgere queste funzioni, ma nella maggior parte dei casi le sue proprietà fisiche, elettriche e chimiche lo rendono la scelta più sensata. L'alluminio è un candidato comune per sostituire il rame. Costa circa un terzo del prezzo del rame, ha una densità inferiore ed è quindi più leggero. L'alluminio ha trovato una certa applicazione nelle barre collettrici e nei cablaggi, e Tesla è uno dei principali utilizzatori. Tuttavia, questo rappresenta solo il 10-20% circa del contenuto di rame della batteria, poiché il resto è costituito dalle piastre delle celle.
La lamina di rame viene utilizzata solo sul lato del catodo e, a causa dell'interazione dell'alluminio con il litio al terminale negativo della batteria, non può essere impiegata in quella posizione. Analogamente, il rame si dissolverebbe se utilizzato come collettore di corrente all'anodo. Altri materiali che potrebbero sostituire il rame al catodo, come l'acciaio inossidabile, il carbonio/grafite e il titanio, presentano problemi di costo, peso e conduttività, il che rende la loro adozione altamente improbabile.
Quindi, dato che la lamina di rame è l'unica opzione ragionevole come fonte di corrente, c'è qualcosa che può frenarne la crescente domanda? Il rapporto IDTechEx "Domanda di rame per le auto 2024-2034: tendenze, utilizzo e previsioni" conclude che esistono un paio di meccanismi che riducono la quantità di rame necessaria per kilowattora di capacità della batteria. Il primo è l'utilizzo di lamine più sottili. Lo spessore standard attuale per le lamine di rame è di 10 µm, ma IDTechEx ha visto aziende lavorare con lamine di 6 µm di spessore e anche più sottili. L'altro fattore che influenza l'intensità del rame è la chimica della batteria.
La composizione chimica delle batterie è uno dei fattori principali che determinano la quantità di energia che una cella può immagazzinare. Supponendo che tutto il resto rimanga invariato, come lo spessore del materiale e il formato della cella, se una batteria con composizione chimica A ha il doppio dell'energia di una con composizione chimica B, le batterie realizzate con la composizione chimica A avranno la metà del rame rispetto alle batterie con composizione chimica B, a parità di capacità energetica totale. Questo non è molto diverso da ciò che accade realmente con le due principali tipologie di batterie: NMC e LFP. Una ricerca di IDTechEx ha rilevato che l'intensità media di rame in kg/kWh di una cella LFP era quasi il doppio di quella di una cella NMC.
Esistono altre tecnologie chimiche che hanno un ruolo importante nell'elettrificazione, ma IDTechEx prevede che, nei prossimi 10 anni, LFP e NMC domineranno il mercato automobilistico, rappresentandone oltre il 90%. È probabile che LFP aumenti la sua quota di mercato da qui a quel momento grazie alla sua elevata densità energetica e al prezzo inferiore rispetto a NMC. Ciò comporterà un corrispondente aumento della domanda di rame per i veicoli elettrici, poiché, oltre alla maggiore intensità di rame di LFP, IDTechEx prevede anche un aumento della dimensione media delle batterie per veicolo.
L'elettrificazione e la chimica delle batterie sono fattori chiave nel determinare la futura domanda di rame per l'industria automobilistica. Tuttavia, il rapporto di mercato "Domanda di rame per le auto 2024-2034: tendenze, utilizzo e previsioni" prende in considerazione molti altri fattori, come le topologie dei motori, le tendenze dell'elettronica di potenza e la crescente domanda di guida autonoma, tutti elementi che hanno un impatto tangibile sulla domanda complessiva di rame per l'industria automobilistica.
Autore: Dr. James Jeffs, analista tecnologico senior presso IDTechEx
