Il ruolo del nichel nell'elettrificazione delle auto
Come si è visto nell'articolo “Svolta ecologica? Gli investimenti inattesi che aiutano a ridurre le emissioni nocive delle auto”, circa il 15% delle emissioni mondiali di gas a effetto serra (GHG) proviene dal settore dei trasporti. Non sorprende che questo sia un settore in cui le autorità sono impazienti di porre un freno alle attività inquinanti. Per conseguire gli obiettivi futuri di riduzione delle emissioni, i veicoli elettrici diventeranno probabilmente la maggioranza delle auto disponibili sul mercato. Prevediamo un aumento delle vendite dei veicoli elettrici (EV) per passeggeri dal 5% circa al 50% circa rispetto alle vendite totali di auto entro il 2040.
Batterie al nichel
I veicoli elettrici sono alimentati da batterie ricaricabili; questo tipo di batterie genera una reazione chimica reversibile che consente entrambi i processi di scarica e ricarica: durante la fase di scarica della batteria, la corrente elettrica passa dal catodo (+) all'anodo (-), mentre durante la fase di ricarica si verifica il processo inverso. Nei veicoli convenzionali con motore a combustione interna sono state utilizzate batterie acide al piombo, il cui costo è relativamente basso; le batterie nichel-metallo idruro (NiMH) rappresentano un'altra tecnologia matura in quest'ambito e hanno un'energia specifica superiore1 rispetto alle batterie acide al piombo, rendendo più leggeri i veicoli che le utilizzano. Tuttavia, le batterie NiMh hanno un'efficienza di ricarica inferiore rispetto ad altri tipi di batterie e presentano problemi di autoscarica (il cui tasso può arrivare fino al 12,5% al giorno in condizioni normali di temperatura ambiente). Questi due tipi di accumulatori sono ormai considerati obsoleti rispetto alla principale fonte di energia per le auto elettriche a batteria.
Il nichel nei catodi per batterie
La batteria agli ioni di litio (Li-ion) è attualmente la tecnologia dominante per l'alimentazione dei veicoli elettrici e lo rimarrà probabilmente anche nel prossimo decennio. Esistono molte varianti di batterie agli ioni di litio, ma i produttori si concentrano su quelle che hanno un'eccellente longevità; tali batterie presentano un'energia specifica persino superiore a quella delle NiMH, ma ciò non significa che le composizioni chimiche contenenti nichel abbiano ormai fatto il loro tempo nella tecnologia per le batterie.
Una batteria agli ioni di litio consta di quattro componenti principali: materiali catodici e anodici attivi, elettroliti e separatori. Nell'ambito della tecnologia per batterie agli ioni di litio, sono disponibili in commercio vari materiali come il litio con ossido di cobalto (LCO), il litio con ossido di manganese (LMO), il litio con fosfato di ferro (LFP), il litio con ossido di nichel, manganese e cobalto (o NMC) e il litio con ossido di nichel, cobalto e alluminio (o NCA). Il nichel è dunque uno dei principali materiali catodici attivi utilizzati dalle batterie agli ioni di litio (è presente nell'NMC e nell'NCA).
Nel 2018 il catodo NMC era già il materiale predominante nel settore delle batterie Li-ion, avendo superato quell'anno l'LFP; secondo le previsioni, l'NMC continuerà a crescere, arrivando a rappresentare più della metà di tutte le soluzioni catodiche entro il 2025 e avvicinandosi al 90% entro il 2030 (figura 1).
Fonte: Avicenne Energy 2019. Litio con ossido di cobalto (LCO), litio con ossido di nickel, manganese e cobalto (NMC), litio con ossido di nickel, cobalto e alluminio (NCA), litio con ossido di manganese (LMO) e litio con fosfato di ferro (LFP).
Le previsioni non sono indicative dei risultati futuri e qualsiasi investimento è soggetto a rischi e incertezze.
Verso una maggiore ponderazione del nichel
Non solo i catodi di nichel stanno acquistando una popolarità sempre maggiore, ma anche il contenuto di nichel presente in tali catodi sta aumentando. A causa della volatilità dei prezzi e dei rischi connessi alla filiera del cobalto, i produttori hanno optato per una diversificazione dei metalli a scapito del cobalto e a favore di un maggior carico di nichel nelle composizioni chimiche. La maggior parte dell'offerta mondiale e delle riserve accertate di cobalto proviene dalla Repubblica Democratica del Congo (figura 2). Il paese è noto per le violazioni dei diritti umani nell'ambito delle attività estrattive, ivi compreso il ricorso al lavoro minorile in molte delle miniere artigianali del Congo; è difficile approvvigionarsi di cobalto che sia totalmente libero da questa rischiosa filiera.
Fonte: US Geological Study, WisdomTree, dati disponibili a gennaio 2020 . Cerchio esterno: riserve. Cerchio interno: produzione nel 2019.
Le previsioni non sono indicative dei risultati futuri e qualsiasi investimento è soggetto a rischi e incertezze.
L'aumento del contenuto di nichel nei catodi può inoltre favorire densità energetiche più elevate, che possono contribuire ad aumentare l'autonomia di guida e a ridurre il peso dei veicoli.
La transizione verso composizioni chimiche a più alto contenuto di nichel è in corso: qualche anno fa, nel catodo NMC ciascuno dei tre atomi (nichel, manganese, cobalto) era presente in parti uguali (NMC-111), ma i produttori sono sempre più vicini alla realizzazione di un catodo che contenga otto parti di nichel per ogni parte di manganese e cobalto (NMC-811). Attualmente non ci siamo ancora arrivati, anche se un catodo costituito da sei parti di nichel, due¬ parti di manganese e due di cobalto (NMC-622) è già disponibile in commercio e utilizzato. Secondo le stime dell'International Energy Agency, nel 2019 il 16% dei veicoli elettrici prodotti impiegava catodi realizzati con chimica NMC-622 (registrando un aumento rispetto al 7% del 2018).
La figura 3 evidenzia come i catodi NMC con un carico maggiore di nichel possano essere più leggeri di altri catodi; quelli NCA, che presentano una ponderazione simile all'NMC-811, sono prodotti principalmente dalla Panasonic e impiegati nelle Tesla, oltre ad avere un contenuto di nichel analogo all'NMC-811.
Sfide poste dall'aumento del contenuto di nichel
Nel catodo NMC, il nichel è il materiale catodico attivo principale, mentre il manganese e il cobalto contribuiscono alla stabilità chimica e strutturale. Pertanto, il mantenimento di questa stabilità è la sfida chiave nella transizione verso composizioni chimiche a più alto contenuto di nichel. Vari produttori affermano di essere prossimi alla commercializzazione dell'NMC 811 e, secondo le previsioni del mercato, questa sarà la soluzione di punta verso il 2025.
Il mercato del nichel ad alto grado di purità resterà probabilmente rigido
Riteniamo che questi cambiamenti nella chimica dei catodi per batterie siano positivi per la domanda di nichel: attualmente le soluzioni per le batterie coprono meno del 5% della domanda di nichel ma, secondo Wood Mackenzie, questa percentuale è destinata a salire fino a sfiorare il 30% entro il 2040. Ciò significa che le tendenze per la domanda delle batterie influiranno sempre di più sui prezzi del nichel a scapito dell'acciaio inossidabile, che attualmente rappresenta il fattore principale per la determinazione delle sue quotazioni. Il mercato dell'acciaio inossidabile tiene conto sia del nichel di classe 1 (ad alto grado di purezza) che di quello di classe 2 (con un grado inferiore di purezza). Storicamente solo il nichel di classe 1 è adeguato alla chimica per le batterie e, per questo motivo, il mercato di quella classe presenterà probabilmente una rigidità più acuta. Il nichel alla base dei contratti future del London Metal Exchange è di classe 1. In Indonesia esistono progetti per la produzione di nichel e cobalto che si avvalgono di un processo chiamato dissoluzione acida ad alta pressione (HPAL - high-pressure acid leaching) che è adeguato per le batterie e utilizzerebbe minerali in precedenza considerati di classe 2. Tuttavia, questi progetti sono attualmente soggetti a forti ritardi e sforamenti di costi e, pertanto, c'è molta incertezza sulla disponibilità futura di questo materiale.
1 L'energia specifica o energia massica è l'energia per unità di massa, talvolta detta anche densità di energia gravimetrica.
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