La crescita del numero dei veicoli elettrici sta creando un’enorme domanda di cobalto, determinandone un aumento dei prezzi e problemi nella catena di rifornimento. Metallo ferromagnetico, il cobalto è uno dei materiali più importanti utilizzati nelle batterie a ioni di litio dei telefoni cellulari, di computer portatili e delle auto elettriche e ibride. Ma, sebbene l’industria dei semiconduttori consumi una percentuale minima delle riserve di cobalto mondiali, le scorte stanno diminuendo. Il mercato che registra il maggiore incremento in termini di domanda di cobalto è rappresentato dalle auto elettriche, settore che ne richiede ogni anno migliaia di tonnellate. 

Una volta raffinato è venduto alle aziende produttrici di batterie a ioni di litio, che poi vendono le batterie ricaricabili a produttori di auto elettriche, come BMW, Nissan, Tesla, Toyota. E se uno smartphone contiene tra i 5 e i 20 grammi di cobalto, per ogni veicolo – secondo Fortune Minerals (una compagnia mineraria canadese che si occupa della fase di sviluppo delle miniere) ne servono tra i 4.000 e i 30.000 grammi.

Il cobalto conferisce alle batterie un’alta densità energetica e stabilità termica. In termini semplici, gli ioni di litio passano dall’anodo al catodo e viceversa, determinando il caricamento o lo scaricamento della batteria. Le batterie a ioni di litio sono costituite da un anodo, un catodo oltre ad altri componenti. Per l’anodo si utilizza la grafite, mentre in un tipo di catodo, la Tesla usa ossidi di nichel-cobalto-alluminio (Nca). 

Se lungo le catene di produzione l’approvvigionamento dei materiali che costituiscono una batteria comporta una serie di problemi, i veri grattacapi derivano dal cobalto. Già da un po’ di tempo le scorte di cobalto scarseggiano e i prezzi sono andati alle stelle poiché un numero crescente di case automobilistiche ha annunciato o già realizza nuovi veicoli elettrici. E ora anche la Cina sta entrando prepotentemente nel settore.

Oggi si produce una quantità di cobalto sufficiente per soddisfare la domanda attuale relativa alle auto elettriche, ma in futuro le cose potrebbero andare diversamente. “In generale, ci dovrebbero essere sufficienti scorte di cobalto raffinato per soddisfare la domanda per i prossimi cinque anni se l’aumento di capacità continua come previsto”, dichiara Jack Bedder, un analista di Roskill.(1)

“A partire dal 2022 più o meno, avremo bisogno di aumentare parecchio la capacità affinché le scorte soddisfino la domanda.”

Il problema è che circa il 67% del cobalto mondiale viene estratto nella Repubblica Democratica del Congo (Rdc), una nazione politicamente instabile e con pratiche commerciali discutibili. “Molte case automobilistiche avranno bisogno di parecchio cobalto, migliaia di tonnellate all’anno per produrre auto elettriche” dice Bedder. “La domanda di cobalto sta aumentando e ci sono reali preoccupazioni riguardo la disponibilità dei giacimenti per il futuro. Nella Rdc la presenza di lavoro minorile è diffusa mentre chi utilizza il cobalto vuole un materiale estratto eticamente”.

Problemi delle scorte di cobalto

Indubbiamente l’industria dell’auto avrà bisogno di più cobalto per soddisfare la domanda futura, anche se la quantità di cobalto utilizzata in ciascuna batteria verrà ridotta.

Si suppone che il contenuto di cobalto per veicolo elettrico scenda a 5 kg dagli attuali 11 kg mediante composti a maggior contenuto di nichel e minor contenuto di cobalto

Si suppone che la batteria media passi dagli attuali 33 kwh a 38 kwh, rispecchiando il passaggio dai veicoli Phev (veicoli elettrici ibridi plug-in) ai veicoli Bev (veicoli elettrici a batteria)

In totale i veicoli elettrici, che comprendono auto elettriche e ibride, rappresentano circa l’1% delle auto vendute attualmente in tutto il mondo. Però la Cina e altri paesi stanno dando una spinta: si prevede che il mercato dei veicoli elettrici crescerà dai 1,2 milioni di unità del 2017 a 1,6 milioni nel 2018, fino a 2 milioni nel 2019, secondo Frost & Sullivan.

“La produzione di veicoli elettrici sta decollando. Oggi siamo sulla strada per arrivare complessivamente a 100 milioni di veicoli per il trasporto di passeggeri entro il 2020, con un incremento del 3%”, spiega Mike Rosa, direttore del marketing strategico e tecnico di Applied Materials. “Probabilmente 5 milioni di questi saranno elettrici. Numero che sta crescendo di circa il 4,6%.”

Entro il 2025 si prevede che il mercato delle auto elettriche raggiungerà i 25 milioni di unità, secondo Frost & Sullivan. Altre previsioni non sono però così ottimistiche: alla stessa scadenza Cobalt27 ne prevede 15 milioni. 

Se i produttori di apparecchiature originali (Oem, Original Equipment Manufacturer) devono affrontare le sfide tecniche, per i demand planner il problema sono materie prime. Il cobalto infatti – presente nella crosta terrestre e nei fondali oceanici – non viene estratto nella sua forma pura. “Si tratta di un sottoprodotto del rame e del nichel: ma non tutti i giacimenti di rame contengono cobalto, e lo stesso vale per i giacimenti di nichel”, ha spiegato Robin Goad, presidente e amministratore delegato di Fortune Minerals, che sta sviluppando in Canada un progetto di estrazione e raffinazione di cobalto-oro-bismuto-rame.

“Il primo sottoprodotto della produzione di rame – chiarisce Goad – deriva da un solo tipo di giacimenti di materiale che si trovano nella fascia del rame dell’Africa orientale che va dallo Zambia all’Uganda attraversando il Congo.”

I giacimenti di nichel, invece, si trovano in Australia, Cuba, Canada, per esempio. “La maggior parte dei giacimenti di nickel, solfuro di nickel e laterite – spiega Goad – contengono cobalto come sottoprodotto.” In generale estrarre rame e nickel e raffinarli in cobalto richiede ingenti capitali: non è un processo nuovo, ma è complesso e presenta diverse sfide.

Anche la catena di rifornimento attuale presenta alcuni problemi. Il governo della Repubblica Democratica del Congo – principale produttrice di cobalto al mondo – recentemente ha aumentato le royalty sui prodotti estratti, tra i quali rame, cobalto e oro, dal 2 al 3,5%. Secondo Roskill le royalty sul cobalto potrebbero arrivare al 10%, sebbene alcune compagnie minerarie ne sono esenti per i prossimi dieci anni.

Non è chiaro l’impatto che questo avrà sui prezzi. Di solito il valore del cobalto ha avuto delle impennate in occasione dei picchi di domanda. Secondo Roskill i prezzi sono rimasti stazionari intorno ai 13 dollari per libbra tra il 2012 e il 2016, per poi salire fino a 32 dollari lo scorso anno e arrivare oltre i 42 dollari all’inizio del 2018,(1 libbra è pari a 0,45 kg, ndr).

Anche il quadro della domanda/offerta rappresenta un problema fonte d’inquietudine per i produttori di batterie. Oggi, diversi progetti per l’estrazione di cobalto nella Rdc si sono ampliati o sono stati riavviati per poter soddisfare la domanda. I due esempi più rilevanti sono costituiti da miniere gestite da Eurasian Resources Group e Katanga Mining. Glencore, la più grande compagnia al mondo per l’estrazione di cobalto detiene un importante pacchetto azionario di Katanga.

Nel 2017 la fornitura mondiale di cobalto raffinato è arrivata a 114.700 tonnellate, e la domanda, secondo Roskill, era di 117.700 tonnellate. “Il mercato è ampiamente in equilibrio”, dichiara Bedder di Roskill. “Inoltre, prevediamo che ci saranno forniture sufficienti dalle miniere di cobalto fino a circa il 2022, ma successivamente sarà necessario avere aumenti sostanziali”.

Ecco un altro modo di vedere il quadro generale: secondo il Dipartimento dell’energia degli Stati Uniti (Doe) nel 2017 i veicoli elettrici hanno utilizzato circa il 9% della produzione mondiale di cobalto, il 15,6% di quella di litio, l’1,3% di quella di nichel e meno dell’1% di quella di manganese. Il Doe prevede che le batterie a ioni di litio “domineranno i mercati globali di cobalto e litio entro pochi anni”.

Per soddisfare la domanda di cobalto, l’industria mineraria sta sviluppando una quantità di nuovi programmi. Di fatto ci sono all’incirca 185 progetti per l’estrazione di cobalto in via di definizione. Però molti di questi sono ancora nella fase di sviluppo e non potranno avviare la produzione in tempi rapidi.

“Queste sono miniere che teoricamente potrebbero produrre. La maggior parte sono allo stato embrionale. Molti progetti si stanno avvantaggiando del recente battage pubblicitario intorno al cobalto e ai veicoli elettrici”, chiarisce Bedder di Roskill. “Per ora è importante concentrarsi su progetti a uno stadio più avanzato di sviluppo, tenendo d’occhio i vari piani in fase embrionale per controllarne i progressi.” 

I materiali estratti e lavorati vengono consegnati alle aziende di raffinazione, molte delle quali sono in Cina, che di fatto controlla il 60% del business delle raffinerie di cobalto.

“Le catene di rifornimento sono complesse.”, afferma Michèle Brülhart, direttrice dell’innovazione di Responsible Business Alliance (Rba), un gruppo non profit che si occupa delle catene di rifornimento globali di apparecchiature elettroniche.

“I rischi che si presentano, o vengono prospettati, sono concentrati proprio a monte della catena di rifornimento, in gran parte in quello che chiamiamo l’upstream. È qui che i materiali vengono estratti, subiscono le prime fasi della lavorazione, e vengono esportati per farsi strada lungo la catena di valore internazionale”, chiarisce Brülhart.

Rba dirige diversi programmi, tra i quali la Responsible Minerals Initiative (Rmi), che affronta problemi relativi all’approvvigionamento responsabile di minerali.

Per contribuire a fare da “navigatore” lungo la catena di rifornimento e a sviluppare le tecniche migliori, Rmi ha recentemente inaugurato la Risk Readiness Assessment Platform (Rra), uno strumento di autovalutazione che affronta le pratiche per la gestione del rischio in 31 aree problematiche. Elenca anche le aziende a monte e a valle della catena legate a stagno, tungsteno, tantalio, oro e cobalto. Tantalio, stagno, tungsteno e oro sono considerati minerali di conflitto, che per definizione vengono estratti in zone “calde”. Rmi ha anche lanciato di recente il Cobalt Reporting Template (Crt). “È sostanzialmente uno strumento per la mappatura. Permette alle aziende di identificare quelle che chiamiamo strozzature nella catena di rifornimento”, spiega Brülhart.

I trend delle batterie

Per i veicoli elettrici, i principali produttori di batterie a ioni di litio comprendono aziende come Byd, Catl, LG, Panasonic, Samsung, SK e Tesla.

Secondo Fortune Minerals, nel mondo ci sono in totale 41 mega fabbriche di batterie a ioni di litio tra quelle già attive e quelle in via di costruzione. Ognuna richiede svariate tonnellate di cobalto. Catl, per esempio, sta costruendo un nuovo impianto che richiede fino a 23.000 tonnellate di cobalto all’anno.

In generale ci sono diversi tipi di batterie a ioni di litio. Per esempio le batterie basate su una chimica a ossidi di litio-cobalto (Lco) per il catodo vengono usate nei telefoni cellulari e nei computer portatili. Invece i produttori di veicoli elettrici usano per il catodo a ioni di litio diversi tipi di tecnologie, precisamente ossidi di nichel-manganese-cobalto (Nmc) e ossidi di nichel-cobalto-alluminio (Nca). Tesla usa la tecnologia Nca, mentre gli altri quella Nmc.

La prima generazione di batterie Nmc contiene concentrazioni identiche di nichel, cobalto e manganese, situazione denominata Nmc111. 

Secondo Benchmark Mineral Intelligence, una società di ricerca, in una cella Nmc111 il materiale del catodo è responsabile del 40% del costo della batteria. Secondo Goad, di Fortune Minerals, “È in corso un’iniziativa per ridurre la quantità di cobalto contenuta nelle batterie per via dei costi e delle preoccupazioni riguardo alla catena di rifornimento”.

Per questo produttori di batterie Nmc stanno sviluppando e distribuendo prodotti che contengono meno cobalto. In queste batterie il contenuto di nichel, cobalto e manganese si trova in proporzioni 5/2/3 o 6/2/2. Molti le chiamano Nmc532 (5 parti di nichel, 3 parti di manganese e 2 parti di cobalto).

Solitamente questo riduce la quantità di cobalto del 20% ma provoca un aumento del contenuto di nichel. Il nichel contribuisce a potenziare la densità energetica delle batterie. “Il costo sta scendendo a causa dell’economia di scala. Ma ciò che è più importante è che le batterie forniscono più potenza con una minore quantità materiali. Così si ottengono batterie più efficienti”, afferma Goad.

L’industria sta compiendo un ulteriore passo. Ora sta sviluppando batterie che utilizzano una chimica del catodo con un rapporto di 8/1/1: si tratta di batterie che verranno distribuite nel 2019 e che riducono il contenuto di cobalto e i costi a esso associati. Però anche queste batterie devono superare alcune criticità: passando a una cellula a contenuto inferiore di cobalto, la volatilità aumenta e la probabilità di combustione è maggiore.

“Con concentrazioni di nichel più alte la densità energetica è superiore. Ma si fa a spese della sicurezza e ci sono alcuni problemi nel caricamento. Le prestazioni sono influenzate da una concentrazione minore di cobalto”, ha affermato Goad. “Non si può avere una concentrazione di cobalto inferiore al 5%, altrimenti la struttura della batteria a ioni di litio collassa. Tutti i principali produttori vi diranno che il cobalto rientrerà nella chimica delle batterie almeno per i prossimi dieci anni, se non per i prossimi venti.” Persino con un contenuto inferiore di cobalto nelle batterie, secondo Exane BNP Paribas, il mercato richiederà ancora circa 240.000 tonnellate all’anno fino al 2025.

E in futuro?

Le batterie dunque restano il punto debole dei veicoli elettrici. Non ne esiste una gamma sufficiente a soddisfare tutti i consumatori, in particolare al di fuori delle aree urbane.

Questa è una sfida che le tecnologie di prossima generazione per le batterie stanno affrontando. Alcune hanno un contenuto di cobalto minimo o nullo, come quelle a ossidi di litio-manganese, nichel (Lmno). Anche nel settore Ricerca e Sviluppo si possono trovare batterie a stato solido.

Una batteria è fatta di un anodo, un catodo, elettroliti e un separatore. Gli elettroliti sono liquidi che trasportano gli ioni dall’anodo al catodo attraverso un separatore.

“Il separatore fa sì che anodo e catodo non si tocchino. Se lo facessero causerebbero un cortocircuito”, spiega Terjesen di Ionic Materials.

Nelle batterie a stato solido gli elettroliti liquidi e il separatore sono sostituiti da un materiale solido. Questa tecnologia “compatterà i materiali nella cella e farà aumentare il voltaggio della stessa, due fattori che porteranno a una maggiore densità energetica”, sostiene Vereecken di Imec. 

Ci sono diverse iniziative in corso nel campo delle batterie a stato solido. Ionics, per esempio, ha sviluppato un polimero che sostituisce il liquido elettrolita nella batteria. Un produttore di batterie avrebbe comunque bisogno di un anodo e un catodo, entrambi basati su diverse chimiche. Imec, nel frattempo, sta sviluppando un elettrolita solido nanocomposito. Queste tecnologie sono promettenti, ma si prevede che non vedranno la luce prima del 2025.

Fino ad allora l’industria continuerà a utilizzare batterie tradizionali. E fino ad allora il cobalto continuerà a essere una spina nel fianco nella supply chain, almeno per il futuro prossimo.

Semiconductor Engeneering, semiengineering.com