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Vinculación entre la electrificación del automóvil, la química de las baterías y la demanda de cobre

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El cobre es un material fundamental en la fabricación de todos los vehículos, independientemente de si funcionan con gas, gasóleo, electricidad, hidrógeno o incluso gas natural licuado (GNL). La demanda de cobre por parte de la industria automovilística era de poco más de 3MT (1MT = 1.000 millones de kilogramos) en 2023, pero está previsto que aumente a 5MT en 2034. Esta tasa de crecimiento anual compuesto (TCAC) del 4,8% es la conclusión de un nuevo informe de IDTechEx, "Copper Demand for Cars 2024-2034: Trends, Utilization, Forecasts", y el motor clave de este crecimiento: la electrificación.

Los vehículos actuales ya contienen mucho cobre, utilizado sobre todo en el cableado. A lo largo de las décadas, los coches se han hecho más grandes y complejos, lo que ha provocado que las necesidades de cableado hayan pasado de un puñado de conexiones a miles. El mazo de cables es ahora un laberinto que se extiende kilómetros y kilómetros por todo el coche. Y el peso de estos kilómetros de cables se acumula. El mazo de cables es uno de los componentes más pesados de un vehículo: algunos superan los 60 kg y contienen una media aproximada de 25 kg de cobre.

Los coches siguen haciéndose más complejos, lo que requiere aún más cableado. Y, a pesar de que Tesla y otros están trabajando para conseguir una red de vehículos simplificada, optimizada y más eficiente, IDTechEx predice que el mazo de cables seguirá creciendo en los próximos años. Sin embargo, el cobre adicional necesario para el creciente mazo de cables se ve empequeñecido por la nueva demanda de cobre generada por la electrificación.

Construir una cadena cinemática eléctrica requiere muchos componentes que consumen mucho cobre y que antes no eran necesarios para los vehículos con motor de combustión interna. Los motores de tracción, el cableado de alta tensión, el inversor y el cargador requieren entre 10 y 15 kg. El motor es el factor determinante en este rango, con factores como tener motores simples o dobles y el diseño de los motores teniendo un gran impacto en el cobre requerido. Sin embargo, la demanda de cobre para estos componentes individuales sigue siendo pequeña en comparación con la batería. Según el estudio de IDTechEx, la batería media de 64 kWh de un coche eléctrico requiere 25,4 kg de cobre.

Las propiedades eléctricas y químicas del cobre hacen que se utilice en toda la batería. Cada una de las celdas de la batería, de las que hay cientos o miles, contiene una lámina de cobre que transporta la energía fuera de la celda. Además, hay grandes barras de cobre por toda la batería que transportan la energía de todas las celdas y la transfieren a los cables de alta tensión y, finalmente, a la electrónica de potencia y al motor.

Por supuesto, el cobre no es el único elemento capaz de cumplir estas tareas, pero en la mayoría de los casos, sus propiedades físicas, eléctricas y químicas son las que tienen más sentido. El aluminio es un candidato habitual para sustituir al cobre. Cuesta aproximadamente un tercio del precio del cobre y es menos denso y, por tanto, más ligero que éste. El aluminio ha tenido cierta aceptación en las barras colectoras y el cableado, y Tesla es uno de los principales usuarios. Sin embargo, esto sólo representa en torno al 10-20% del contenido de cobre de la batería, ya que el resto son las láminas de las celdas.

La lámina de cobre sólo se utiliza en el lado del cátodo, y debido a la forma en que el aluminio interactúa con el litio en el terminal negativo de la batería, no puede utilizarse aquí. Del mismo modo, el cobre se disolvería si se utilizara como colector de corriente en el ánodo. Hay otros materiales que podrían sustituir al cobre en el cátodo, como el acero inoxidable, el carbono/grafito y el titanio, pero tienen problemas de coste, peso y conductividad, por lo que su adopción es muy improbable.

Así que, siendo la lámina de cobre la única opción razonable como corriente, ¿hay algo que pueda frenar su creciente demanda? El informe de IDTechEx "Copper Demand for Cars 2024-2034: Trends, Utilization, Forecasts" (Demanda de cobre para automóviles 2024-2034: tendencias, utilización y previsiones) concluye que hay un par de mecanismos que reducen la cantidad de cobre necesaria por kilovatio hora de capacidad de la batería. El primero es el uso de láminas más finas. El grosor estándar actual de las láminas de cobre es de 10µm, pero IDTechEx ha visto empresas que trabajan en láminas con grosores de 6µm e inferiores. El otro factor que influye en la intensidad del cobre es la química de las baterías.

La química de las baterías es uno de los principales factores que determinan cuánta energía puede almacenar una célula. Suponiendo que todo lo demás permanece igual, como el grosor de los materiales y el factor de forma de la célula, si la química A tiene el doble de energía que la química B, las baterías fabricadas con la química A tendrán la mitad de cobre que las baterías con la química B para la misma capacidad energética total. En realidad, esto no está muy lejos de lo que ocurre con las principales químicas de baterías: NMC y LFP. La investigación de IDTechEx descubrió que la intensidad media de cobre en kg/kWh de una célula LFP era casi el doble que la de una célula NMC.

Existen otras químicas y tienen su lugar en la electrificación, pero IDTechEx predice que, en los próximos 10 años, LFP y NMC dominarán el mercado de la automoción y representarán más del 90% del mismo. Es probable que el LFP aumente su cuota de mercado de aquí a entonces gracias a su buena densidad energética y a sus precios más bajos en comparación con el NMC. Esto provocará el correspondiente aumento de la demanda de cobre para los vehículos eléctricos, ya que, junto con la mayor intensidad de cobre del LFP, IDTechEx también espera que aumente el tamaño medio de las baterías por vehículo.

La electrificación y la química de las baterías son un factor importante para determinar la futura demanda de cobre de la industria del automóvil. Sin embargo, el informe de mercado "Copper Demand for Cars 2024-2034: Trends, Utilization, Forecasts" cubre muchos otros factores como las topologías de los motores, las tendencias de la electrónica de potencia y la creciente demanda de conducción autónoma, todos los cuales tienen un impacto tangible en la demanda total de cobre para la industria del automóvil.

Autor: Dr. James Jeffs, analista tecnológico senior de IDTechEx

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