В современных автомобилях уже содержится много меди, в основном используемой в проводке. За прошедшие десятилетия автомобили стали больше и сложнее, что привело к увеличению количества соединений в проводке — от нескольких до тысяч. Жгут проводов теперь представляет собой лабиринт, тянущийся на многие километры по всему автомобилю. И вес этих километров проводов накапливается. Жгут проводов — один из самых тяжелых компонентов автомобиля: некоторые весят более 60 кг и содержат в среднем около 25 кг меди.
Автомобили становятся все сложнее, что требует еще больше проводки. И хотя Tesla и другие компании работают над упрощением, оптимизацией и повышением эффективности автомобильной сети, IDTechEx прогнозирует, что жгуты проводов будут продолжать расширяться в ближайшие годы. Однако дополнительный объем меди, необходимый для этих растущих жгутов проводов, меркнет по сравнению с новым спросом на медь, вызванным электрификацией.
Для создания электрической силовой установки требуется множество компонентов, содержащих большое количество меди, которые ранее не были необходимы для автомобилей с двигателями внутреннего сгорания. Тяговые двигатели, высоковольтная проводка, инвертор и зарядное устройство требуют от 10 до 15 кг меди каждый. В этом диапазоне определяющим фактором является сам двигатель, а такие факторы, как наличие одного или двух двигателей и конструкция двигателя, оказывают существенное влияние на необходимое количество меди. Однако потребность в меди для этих отдельных компонентов остается небольшой по сравнению с батареей. Согласно исследованию IDTechEx, средняя батарея емкостью 64 кВт⋅ч в электромобиле требует 25,4 кг меди.
Электрические и химические свойства меди делают ее идеальным материалом для использования во всей батарее. Каждая из ячеек батареи, которых насчитывается сотни или тысячи, содержит медную фольгу, которая проводит энергию из ячейки. Кроме того, по всей батарее проходят большие медные стержни, отводящие энергию от всех ячеек и передающие ее к высоковольтным кабелям и, в конечном итоге, к силовой электронике и двигателю.
Конечно, медь — не единственный элемент, способный выполнять эти задачи, но в большинстве случаев её физические, электрические и химические свойства наиболее целесообразны. Алюминий — распространённый кандидат на замену меди. Он стоит примерно в три раза дешевле меди, менее плотный и, следовательно, легче. Алюминий получил некоторое распространение в шинах и проводке, и Tesla является одним из основных потребителей. Однако на его долю приходится лишь около 10-20% содержания меди в батарее, поскольку остальное составляют пластины ячеек.
Медная фольга используется только на катодной стороне, и из-за взаимодействия алюминия с литием на отрицательном полюсе батареи её нельзя использовать там. Аналогично, медь растворится, если её использовать в качестве токосъемника на аноде. Другие материалы, которые могли бы заменить медь на катоде, такие как нержавеющая сталь, углерод/графит и титан, имеют проблемы со стоимостью, весом и проводимостью, что делает их использование крайне маловероятным.
Итак, поскольку медная фольга является единственным разумным вариантом в качестве текущего источника, есть ли что-нибудь, что может сдержать ее растущий спрос? В отчете IDTechEx «Спрос на медь для автомобилей 2024-2034: тенденции, использование, прогнозы» делается вывод о существовании нескольких механизмов, которые снижают количество меди, необходимой на киловатт-час емкости батареи. Первый — использование более тонкой фольги. В настоящее время стандартная толщина медной фольги составляет 10 мкм, но IDTechEx наблюдала компании, работающие с фольгой толщиной 6 мкм и тоньше. Другой фактор, влияющий на потребление меди, — это химический состав батареи.
Химический состав батареи — один из главных факторов, определяющих количество энергии, которое может запасти элемент. Предполагая, что все остальные параметры остаются неизменными, такие как толщина материала и форм-фактор элемента, если батарея с химическим составом А обладает вдвое большей энергией, чем батарея с химическим составом В, то батареи, изготовленные с использованием химического состава А, будут содержать вдвое меньше меди, чем батареи с химическим составом В, при той же общей емкости. Это не так уж далеко от того, что происходит на практике с двумя основными химическими составами батарей: NMC и LFP. Исследование IDTechEx показало, что средняя интенсивность содержания меди в кг/кВт·ч в ячейке LFP почти вдвое выше, чем в ячейке NMC.
Существуют и другие химические составы, которые также находят применение в электрификации, но IDTechEx прогнозирует, что в течение следующих 10 лет LFP и NMC будут доминировать на автомобильном рынке, занимая более 90% его площади. Вероятно, LFP увеличит свою долю рынка в этот период благодаря высокой плотности энергии и более низкой цене по сравнению с NMC. Это приведет к соответствующему увеличению спроса на медь для электромобилей, поскольку, наряду с более высокой медной интенсивностью LFP, IDTechEx также ожидает увеличения среднего размера батареи на один автомобиль.
Электрификация и химический состав батарей являются ключевыми факторами, определяющими будущий спрос на медь в автомобильной промышленности. Однако в отчете о рынке «Спрос на медь для автомобилей 2024-2034: тенденции, использование, прогнозы» рассматриваются и многие другие факторы, такие как топологии двигателей, тенденции в области силовой электроники и растущий спрос на автономное вождение, которые оказывают ощутимое влияние на общий спрос на медь в автомобильной промышленности.
Автор: д-р Джеймс Джеффс, старший технологический аналитик компании IDTechEx
