"Geen zeldzame aarde, geen auto"?

De afgelopen jaren heeft de bloeiende markt voor nieuwe energievoertuigen (NEV) de hele industriële keten tot bloei gebracht, waardoor ongekende ontwikkelingsmogelijkheden zijn ontstaan ​​voor aanverwante nieuwe energiematerialen, nieuwe toepassingen en nieuwe markten. Als belangrijke klasse van strategische minerale hulpbronnen nemen zeldzame aardelementen een belangrijke positie in in de NEV-industrie.

Zeldzame aardmetalen verwijzen naar een reeks elementen, waaronder yttrium, scandium en de 17 lanthanide-elementen. Deze elementen spelen een cruciale rol in de moderne industrie en worden geprezen als 'industriële MSG', die de materiaalkwaliteit of prestaties kan verbeteren in sectoren als elektronica en informatietechnologie, petrochemie, metallurgie en energie.

In NEV-toepassingen worden zeldzame aardmetalen voornamelijk gebruikt in aandrijfmotoren, luidsprekers en harde schijven van elektrische voertuigen. In het kader van de doelstellingen inzake koolstofneutraliteit neemt de Chinese vraag naar zeldzame aardmetalen snel toe, naast de snelle ontwikkeling van de NEV-industrie. Uit gegevens blijkt dat NEV's en de elektronica-industrie het grootste deel van de wereldwijde consumptie van zeldzame aardmetalen voor hun rekening nemen, namelijk 35%. Zeldzame aardmetalen zijn onmisbaar in NEV-toepassingen.

Als we naar het verbruik van zeldzame aardmetalen binnen de NEV-sector kijken, gaat het vooral om zeldzame aardmetalen van permanente magneetmaterialen en zeldzame aardwaterstofopslagmaterialen, respectievelijk goed voor 64% en 36%. In de NEV-industrie, of het nu gaat om hybride, puur elektrische of opkomende brandstofcelvoertuigen, zijn permanentmagneetmotoren essentiële kerncomponenten. Zeldzame aardmetalen permanente magneten vormen ongeveer 60% van de zeldzame aardmetalentoepassingen in de NEV-sector.

"Permanente magneet" betekent letterlijk het handhaven van een langdurig en stabiel magnetisch veld. Om dit fenomeen in stand te houden is het zeldzame aardelement ‘neodymium’ nodig. Door "ijzer" en "boor" aan "neodymium" toe te voegen, ontstaat een krachtig en altijd actief magnetisch veld: neodymiumijzerboor (NdFeB).

NdFeB-magneten bieden een sterke magnetische kracht, waardoor motoren een groter koppel en een groter vermogen kunnen leveren in een kleiner volume. Dit betekent dat EV's sneller naar dezelfde snelheid kunnen accelereren en tegelijkertijd de algehele energie-efficiëntie van het voertuig kunnen verbeteren, waardoor de rijprestaties aanzienlijk worden verbeterd.

Ten tweede zorgen zeer efficiënte motoren gemaakt met NdFeB-magneten ervoor dat EV's een hoger energieverbruik kunnen bereiken met dezelfde batterijcapaciteit. Dit betekent dat voertuigen effectiever gebruik kunnen maken van de energie die is opgeslagen in de batterijen, waardoor het rijbereik wordt vergroot. Voor consumenten vermindert dit de angst voor het bereik, waardoor de bredere acceptatie van NEV's wordt vergemakkelijkt.

Bovendien leggen elektrische voertuigen, vergeleken met traditionele voertuigen met een verbrandingsmotor, meer nadruk op het lichtgewicht van voertuigen. NdFeB-magneten beschikken over sterke magnetische eigenschappen, waardoor ze hetzelfde uitgangsvermogen kunnen leveren met een kleiner volume en gewicht.

Tegelijkertijd is NdFeB binnen permanentmagneetmotoren een van de meest gebruikte permanente magneetmaterialen. Meestal worden ook kleine hoeveelheden gallium en zware zeldzame aardmetalen zoals dysprosium, praseodymium en terbium gemengd om de hittebestendigheid van de permanente magneetmotor te garanderen. Zware zeldzame aardelementen zijn echter schaarser in de ertsreserves en duurder. Momenteel zijn sommige bedrijven bezig met het gebruik van meer lichte zeldzame aardmetalen en het terugdringen van het gebruik van zware zeldzame aardmetalen.

Zeldzame aardelementen nemen niet alleen deel aan de bereiding van de huidige reguliere elektrodematerialen voor lithiumbatterijen, maar dienen ook als uitstekende grondstoffen voor de bereiding van positieve elektroden in loodzuur- of nikkel-metaalhydride (NiMH) batterijen.

1. Nikkel-metaalhydride (NiMH) batterijen
   Voor hybride voertuigen biedt het selecteren van NiMH-batterijen van het stroomtype en hun managementsystemen voordelen zoals hoge vermogenskenmerken, duurzaamheid, betrouwbaarheid en een grote veiligheidsmarge. Momenteel gebruiken de meeste in de handel verkrijgbare NiMH-batterijen van het type AB5-type zeldzame aarde-waterstofopslaglegering als negatief elektrodemateriaal. Het gebruik van zeldzame aarde-waterstofopslaglegeringspoeder als negatief elektrodemateriaal biedt voordelen zoals een hoge capaciteit, geen milieuvervuiling en een lange levensduur, waardoor het een belangrijke positie inneemt in de ontwikkeling van batterijen. Momenteel gebruikt 85% van de wereldwijde HEV's NiMH-batterijen. In de nabije toekomst zullen NiMH-batterijen de voorkeur blijven hebben voor HEV's, en de gebruikte negatieve elektrodematerialen voor waterstofopslag kunnen volledig voldoen aan de eisen van HEV NiMH-batterijen.
2. Lithium-ionbatterijen
   De toevoeging van zeldzame aardelementen zorgt voor een grotere structurele stabiliteit van de materialen en breidt de driedimensionale kanalen uit voor actieve migratie van lithiumionen. Dit geeft de voorbereide lithium-ionbatterijen een hogere laadstabiliteit, elektrochemische omkeerbaarheid van de cyclus en een langere levensduur.
3. Loodzuurbatterijen
   Uit binnenlands onderzoek blijkt dat het toevoegen van zeldzame aardmetalen gunstig is voor het verbeteren van de treksterkte, hardheid, corrosieweerstand en overpotentiaal van zuurstofontwikkeling van de op lood gebaseerde legering in elektrodeplaten. Het toevoegen van zeldzame aardmetalen aan het actieve materiaal kan de zuurstofontwikkeling van de positieve elektrode verminderen en de benuttingsgraad van het positieve actieve materiaal verhogen, waardoor de prestaties en levensduur van de batterij worden verbeterd.

Het is bekend dat niet alle NEV's een nuluitstoot bereiken. Hybride en elektrische voertuigen met groter bereik stoten bijvoorbeeld nog steeds uitlaatgassen uit tijdens het rijden. Sommige voertuigen zijn verplicht om bij de productie driewegkatalysatoren (TWC) te installeren, die ingebouwde katalysatoren gebruiken om te reageren en schadelijke gassen om te zetten in onschadelijke gassen. Het belangrijkste bestanddeel van TWC's zijn juist zeldzame aardmetalen. Vanwege hun unieke elektronenstructuur beschikken zeldzame aardmetalen over een onderscheidende zuurstofopslagcapaciteit. Cerium in CeO₂ kan bijvoorbeeld de oxidatietoestand veranderen, waardoor het uitstekende zuurstofopslag- en afgiftemogelijkheden biedt. Het kan zuurstof opslaan/afgeven onder arme/rijke brandstofomstandigheden, waardoor de omzettingsefficiëntie van de katalysator voor CO, HC en NOx wordt verbeterd.

Zeldzame aardelementen worden ook wel de ‘vitamines’ van speciale keramiek genoemd, omdat ze vaak worden gebruikt als additieven in keramische materialen om de prestaties te verbeteren. De kerncomponent van een zirkoniumoxide-zuurstofsensor is bijvoorbeeld een zirkoniumoxidefilm, meestal gevormd door het doteren van zirkoniumoxide met zeldzame aardelementen. Bij blootstelling aan zuurstof verandert de geleidbaarheid van de zirkoniumfilm, waardoor de verbrandingsefficiëntie en de emissieniveaus van de motor worden gecontroleerd.

Zeldzame aardmetalen zijn belangrijke dopingcomponenten in MLCC-diëlektrische poeders, waardoor de MLCC-betrouwbaarheid effectief wordt verbeterd. Het zijn onmisbare grondstoffen bij de ontwikkeling van keramische poeders voor hoogwaardige MLCC’s. Zeldzame aardoxiden zoals Y₂O₃ en La₂O₃ worden bijvoorbeeld gebruikt als additieven in MLCC's om de diëlektrische eigenschappen van keramiek te verbeteren en de condensatordichtheid en het werkfrequentiebereik te vergroten. Ten tweede kan het vormen van een dunne laag zeldzaam aardoxide tussen het keramiek en de elektrode de hechtkracht en de stabiliteit van het grensvlak verbeteren, waardoor het aantal defecten aan de condensatoren en de lekstroom worden verminderd. Bovendien hebben zeldzame aardoxides hoge smeltpunten en thermische stabiliteit, wat het diëlektrische verlies in omgevingen met hoge temperaturen kan verminderen en de betrouwbaarheid en levensduur van MLCC kan verbeteren.

Keramische lagers van siliciumnitride (Si₃N₄) worden beschouwd als het beste materiaal voor de productie van autolagers vanwege voordelen zoals lichtgewicht, hoge hardheid, hoge sterkte, lage wrijving, hoge hittebestendigheid, uitstekende elektrische isolatie en een lange levensduur. Zuiver siliciumnitride is echter moeilijk te sinteren. Door de introductie van sinterhulpmiddelen met zeldzame aardoxide kunnen complexe oxide/nitride intergranulaire fasen binnen de keramische structuur worden gevormd, waardoor siliciumnitridematerialen goede prestaties leveren bij hogere temperaturen.

Bovendien spelen zeldzame aardmetalen een belangrijke rol in carrosseriestaal, tandwielen, wielnaven en zelfs schroeven van auto's. Zelfs de bandenindustrie heeft zeldzame aardpolymeermaterialen nodig als stabilisatoren. Er kan worden gezegd dat zeldzame aardmetalen in de automobielsector, ook al worden ze in kleine hoeveelheden gebruikt, onmisbaar zijn!

Op 1 maart hield Tesla zijn Investor Day 2023 en kondigde aan dat zijn volgende generatie motoren het gebruik van zeldzame aardmetalen volledig zouden elimineren. Dit nieuws trok veel aandacht en scepsis.

Het is belangrijk op te merken dat in 2020 77% van de wereldwijde elektrische voertuigen gebruik maakte van op zeldzame aardmetalen gebaseerde permanente magneetmotoren. Op de Chinese NEV-markt maakt meer dan 90% van de elektrische voertuigen gebruik van zeldzame-aardemotoren met permanente magneet.

Vanuit een hulpbronnenperspectief:Volgens USGS-gegevens uit 2021, waarbij de reserves van zeldzame aardoxide (REO) als statistische maatstaf worden gebruikt, bedragen de mondiale totale reserves aan zeldzame aardmetalen ongeveer 120 miljoen ton. Ze worden voornamelijk gedistribueerd in China, Vietnam, Brazilië, Rusland en andere landen. De gecombineerde reserves van deze vier landen zijn goed voor 86,4% van het mondiale totaal, waarbij China 44 miljoen ton in handen heeft, en Vietnam, Brazilië en Rusland elk ruim 20 miljoen ton.

Momenteel is China verantwoordelijk voor 35,2% van de mondiale reserves, 58% van de mondiale mijnbouwproductie en 65% van de mondiale consumptie – waarmee het land op alle drie de punten wereldwijd de eerste plaats inneemt. Het is 's werelds grootste producent, exporteur en consument en heeft een dominante positie.

Een directeur van Zhongke Sanhuan verklaarde eerder dat elke NEV momenteel gemiddeld ongeveer 2,5 kilogram NdFeB permanent magneetmateriaal gebruikt. Op basis hiervan wordt verwacht dat de mondiale NEV-vraag naar zeldzame aardmagnetische materialen in 2025 30.000 ton zal bereiken.

Tegelijkertijd verscherpt China zijn controle over zeldzame aardmetalen. In 2021 hebben het Ministerie van Industrie en Informatietechnologie en het Ministerie van Natuurlijke Hulpbronnen de "Kennisgeving over de uitgifte van de 2021 Total Control Indicators for Rare Earth Mining and Smelting Separation" uitgegeven. De totale controle-indicatoren voor de mijnbouw en scheiding van zeldzame aardmetalen in 2021 waren respectievelijk 168.000 ton en 162.000 ton, een stijging van ongeveer 20% vergeleken met 2020. In een eerder ontwerpadvies werd expliciet gesteld dat geen enkele eenheid of individu zonder goedkeuring mag investeren in de mijnbouw of scheidingsprojecten voor zeldzame aardmetalen of deze mag bouwen, waarmee de algemene toon wordt gezet voor toekomstige binnenlandse mijnbouw en scheiding van zeldzame aardmetalen: voortdurende implementatie van totale quotacontrole.

In hetzelfde jaar benadrukte het '100-Day Supply Chain Review Report' van het Amerikaanse Witte Huis dat de Amerikaanse afhankelijkheid van de import van zeldzame aardmagneten binnen de industriële keten van zeldzame aardmetalen een bedreiging vormt voor de nationale veiligheid. Als reactie hierop adviseerde een rapport van het Amerikaanse ministerie van Handel om de steun voor binnenlandse fabrikanten van permanente magneten in de VS te vergroten door middel van belastingkredieten, subsidies, prioritaire aanbestedingen en het aanleggen van defensievoorraden, waarbij krachtig processen werden gepromoot om zeldzame aardmetalen in permanente magneetmaterialen te verminderen/elimineren en de keten van de permanente magneetindustrie te ‘de-siniciseren’.

VolgensNikkeiherbouwen de VS zijn leveringsnetwerk voor zeldzame aardmagneten. Om de afhankelijkheid van China op het gebied van strategische materialen te verminderen, zullen sommige productieprocessen waarvan China een groot aandeel heeft, worden verplaatst naar het Amerikaanse vasteland, en Amerikaanse bedrijven die overheidssteun ontvangen, versnellen hun investeringen. Het opnieuw opbouwen van een bevoorradingsnetwerk dat lange tijd afhankelijk was van China is echter geen gemakkelijke taak. De VS ontberen met hun hogere grondstoffeninkoop- en logistieke kosten een concurrentievoordeel. Uit een analyse van Bloomberg blijkt dat het de VS minstens tien jaar zou kosten om zelfvoorzienend te worden in de toeleveringsketen van zeldzame aardmetalen.

Gecombineerd met factoren als de stijgende prijzen voor zeldzame aardmetalen is het niet verrassend dat Japanse, Europese en Amerikaanse autofabrikanten op zoek gaan naar alternatieven en beginnen met het onderzoeken en ontwikkelen van motoren die vrij zijn van zeldzame aardmetalen.

Vanuit een prestatieperspectief:Toen de Tesla Model S in 2012 op de markt kwam, was deze uitgerust met een inductiemotor. Hoewel inductiemotoren bepaalde kostenvoordelen hebben, hebben ze ook nadelen, zoals grote afmetingen en een lager rendement, die het bereik beïnvloeden.

Voor NEV's is het rijbereik een belangrijke concurrentiefactor. Het zwaardere gewicht en de lagere conversie-efficiëntie van inductiemotoren leiden tot een kleiner bereik van het voertuig. Dit is een belangrijke reden waarom veel autofabrikanten kiezen voor permanentmagneetmotoren.

Het is vermeldenswaard dat Tesla, te beginnen met Model 3, is overgestapt op een gelijkstroommotor met permanente magneet en deze motor uiteindelijk ook in andere modellen heeft overgenomen. Uit gegevens blijkt dat de permanentmagneetmotor die in Model 3 wordt gebruikt ongeveer 6% efficiënter is dan de eerder gebruikte inductiemotor.

Vanuit een materieel perspectief:Wat betreft "de-zeldzame aarding" is momenteel het meest prominente alternatieve materiaal "ferriet". Dit keramiek, bestaande uit ijzer en zuurstof, vermengd met kleine hoeveelheden metaal, kan magneten produceren. Het is goedkoop en gemakkelijk te vervaardigen.

Ferriet is echter altijd een goedkope vervanger geweest voor zeldzame aardmetalen NdFeB. De prestaties, het volume en andere aspecten zijn moeilijk te evenaren aan de NdFeB-niveaus. Het kan worden gebruikt in sommige micromotoren in voertuigen. De permanente magneten van samarium-kobalt (SmCo) bevatten zelf het zeldzame aardelement samarium en zijn radioactief. Ze worden momenteel alleen gebruikt in het leger, de ruimtevaart en soortgelijke gebieden. Het vervangen ervan door NEV’s zou contraproductief zijn.

Momenteel zijn verschillende fabrikanten begonnen met onderzoek naar opties zonder zeldzame aardmetalen. Maar of het nu de stikstof-ijzermagneten van de startup Niron zijn of een ander materiaal met hoge magnetische kracht dat mangaan bevat, geen van beide kan in een ideale vorm op de lange termijn worden vervaardigd en bewaard. Zelfs de eerder gerapporteerde prototype mangaan-bismut (Mn-Bi) magneten die met succes zijn geproduceerd door DA Technology en Koreen, ondergaan momenteel alleen prestatieverificatie en verbeteringswerkzaamheden.

Gezien het streven van de NEV-industrie naar lage kosten en hoge efficiëntie, gekoppeld aan de onopgeloste technische uitdagingen, is het duidelijk dat het volledig loskomen van zeldzame aardmetalen niet onmogelijk is, maar wel onhaalbaar op de korte termijn. Op zijn minst zullen in China zeldzame aardmetalenmotoren in de nabije toekomst de mainstream richting voor voertuigtoepassingen blijven.