"Pas de terres rares, pas de voiture" ?

Ces dernières années, le marché en plein essor des véhicules à énergies nouvelles (NEV) a permis à l’ensemble de la chaîne industrielle de prospérer, offrant des opportunités de développement sans précédent pour les nouveaux matériaux énergétiques, les nouvelles applications et les nouveaux marchés associés. En tant que classe importante de ressources minérales stratégiques, les éléments de terres rares occupent une place importante dans l’industrie des NEV.

Les terres rares font référence à une série d’éléments, notamment l’yttrium, le scandium et les 17 lanthanides. Ces éléments jouent un rôle essentiel dans l'industrie moderne et sont salués comme des « MSG industriels », capables d'améliorer la qualité ou les performances des matériaux dans des secteurs tels que l'électronique et les technologies de l'information, la pétrochimie, la métallurgie et l'énergie.

Dans les applications NEV, les terres rares sont principalement utilisées dans les moteurs d’entraînement, les haut-parleurs et les disques durs des véhicules électriques. Dans le cadre des objectifs de neutralité carbone, la demande chinoise de terres rares augmente rapidement parallèlement au développement rapide de l'industrie des NEV. Les données montrent que les NEV et l'industrie électronique représentent la part la plus élevée de la consommation mondiale de terres rares, atteignant 35 %. Les matériaux de terres rares sont indispensables dans les applications NEV.

En ce qui concerne la consommation de terres rares dans le secteur NEV, elle concerne principalement les matériaux à aimants permanents de terres rares et les matériaux de stockage d’hydrogène aux terres rares, représentant respectivement 64 % et 36 %. Dans l’industrie des NEV, qu’il s’agisse des véhicules hybrides, électriques purs ou des nouveaux véhicules à pile à combustible, les moteurs à aimants permanents sont des composants essentiels. Les aimants permanents aux terres rares constituent environ 60 % des applications des terres rares dans le secteur NEV.

« Aimant permanent » signifie littéralement maintenir un champ magnétique stable et durable. Le maintien de ce phénomène nécessite l’élément de terre rare « néodyme ». L'ajout de « fer » et de « bore » au « néodyme » crée un champ magnétique puissant et toujours actif : le néodyme fer bore (NdFeB).

Les aimants NdFeB fournissent une force magnétique puissante, permettant aux moteurs de fournir un couple et une puissance de sortie plus élevés dans un volume plus petit. Cela signifie que les véhicules électriques peuvent accélérer plus rapidement jusqu’à la même vitesse tout en améliorant également l’efficacité énergétique globale du véhicule, améliorant ainsi considérablement les performances de conduite.

Deuxièmement, les moteurs hautement efficaces fabriqués avec des aimants NdFeB permettent aux véhicules électriques d’atteindre une utilisation énergétique plus élevée avec la même capacité de batterie. Cela signifie que les véhicules peuvent utiliser plus efficacement l’énergie stockée dans les batteries, augmentant ainsi l’autonomie. Pour les consommateurs, cela réduit l’anxiété liée à l’autonomie, facilitant ainsi une adoption plus large des NEV.

De plus, par rapport aux véhicules traditionnels à moteur à combustion interne, les véhicules électriques mettent davantage l’accent sur l’allègement du véhicule. Les aimants NdFeB possèdent de fortes propriétés magnétiques, leur permettant de fournir la même puissance de sortie avec un volume et un poids réduits.

Simultanément, dans les moteurs à aimants permanents, le NdFeB est l’un des matériaux à aimants permanents les plus couramment utilisés. En règle générale, de petites quantités de gallium et d'éléments de terres rares lourdes comme le dysprosium, le praséodyme et le terbium sont également mélangées pour assurer la résistance thermique du moteur à aimant permanent. Cependant, les éléments lourds des terres rares sont plus rares dans les réserves de minerai et plus coûteux. Actuellement, certaines entreprises s’orientent vers une utilisation accrue de terres rares légères et réduisent l’utilisation de terres rares lourdes.

Les éléments des terres rares participent non seulement à la préparation des matériaux d'électrodes des batteries au lithium courants, mais servent également d'excellentes matières premières pour la préparation des électrodes positives dans les batteries au plomb ou au nickel-hydrure métallique (NiMH).

1. Piles nickel-métal-hydrure (NiMH)
   Pour les véhicules hybrides, la sélection de batteries NiMH de type puissance et de leurs systèmes de gestion offre des avantages tels que des caractéristiques de puissance élevées, une durabilité, une fiabilité et une marge de sécurité importante. Actuellement, la plupart des batteries NiMH de type électrique disponibles dans le commerce utilisent un alliage de stockage d'hydrogène de terres rares de type AB5 comme matériau d'électrode négative. L'utilisation de poudre d'alliage de stockage d'hydrogène de terres rares comme matériau d'électrode négative offre des avantages tels qu'une capacité élevée, une absence de pollution environnementale et une longue durée de vie, occupant ainsi une position importante dans le développement des batteries. Actuellement, 85 % des VEH dans le monde utilisent des batteries NiMH. Dans un avenir prévisible, les batteries de puissance NiMH resteront le choix privilégié pour les HEV, et les matériaux d'électrode négative de stockage d'hydrogène utilisés peuvent répondre pleinement aux exigences des batteries HEV NiMH.
2. Piles lithium-ion
   L'ajout d'éléments de terres rares offre une plus grande stabilité structurelle aux matériaux et élargit les canaux tridimensionnels pour une migration active des ions lithium. Cela confère aux batteries lithium-ion préparées une stabilité de charge plus élevée, une réversibilité du cycle électrochimique et une durée de vie plus longue.
3. Batteries au plomb
   Des recherches nationales indiquent que l'ajout de terres rares est bénéfique pour améliorer la résistance à la traction, la dureté, la résistance à la corrosion et le surpotentiel de dégagement d'oxygène de l'alliage à base de plomb dans les plaques d'électrode. L'ajout de terres rares au matériau actif peut réduire le dégagement d'oxygène provenant de l'électrode positive et augmenter le taux d'utilisation du matériau actif positif, améliorant ainsi les performances et la durée de vie de la batterie.

Il est bien connu que tous les NEV n’atteignent pas zéro émission. Par exemple, les véhicules hybrides et électriques à autonomie étendue émettent toujours des gaz d’échappement pendant leur fonctionnement. Certains véhicules sont tenus d'installer des convertisseurs catalytiques à trois voies (TWC) dès leur fabrication, qui utilisent des catalyseurs intégrés pour réagir et convertir les gaz nocifs en gaz inoffensifs. Le constituant principal des TWC est précisément constitué d’éléments de terres rares. En raison de leur structure électronique unique, les terres rares possèdent une capacité particulière de stockage de l’oxygène. Par exemple, le cérium présent dans CeO₂ peut modifier son état d’oxydation, offrant ainsi d’excellentes capacités de stockage et de libération de l’oxygène. Il peut stocker/libérer de l'oxygène dans des conditions de carburant pauvre/riche, améliorant ainsi l'efficacité de conversion du catalyseur pour le CO, les HC et les NOx.

Les éléments des terres rares sont également appelés « vitamines » des céramiques spéciales car ils sont souvent utilisés comme additifs dans les matériaux céramiques pour améliorer les performances. Par exemple, le composant central d’un capteur d’oxygène en zircone est un film de zircone, généralement formé en dopant la zircone avec des éléments de terres rares. Lorsqu'il est exposé à l'oxygène, la conductivité du film de zircone change, contrôlant ainsi l'efficacité de la combustion du moteur et les niveaux d'émissions.

Les terres rares sont des composants dopants importants dans les poudres diélectriques MLCC, améliorant efficacement la fiabilité du MLCC. Ce sont des matières premières indispensables au développement de poudres céramiques pour les MLCC haut de gamme. Par exemple, des oxydes de terres rares comme Y₂O₃ et La₂O₃ sont utilisés comme additifs dans les MLCC pour améliorer les propriétés diélectriques des céramiques et augmenter la densité des condensateurs et la plage de fréquences de fonctionnement. Deuxièmement, la formation d'une fine couche d'oxyde de terre rare entre la céramique et l'électrode peut améliorer la force de liaison et la stabilité de l'interface, réduisant ainsi les taux de défaillance des condensateurs et le courant de fuite. De plus, les oxydes de terres rares ont des points de fusion et une stabilité thermique élevés, ce qui peut réduire les pertes diélectriques dans les environnements à haute température et améliorer la fiabilité et la durée de vie du MLCC.

Les roulements en céramique de nitrure de silicium (Si₃N₄) sont considérés comme le meilleur matériau pour la fabrication de roulements automobiles en raison d'avantages tels que la légèreté, la dureté élevée, la résistance élevée, le faible frottement, la résistance thermique élevée, l'excellente isolation électrique et la longue durée de vie. Cependant, le nitrure de silicium pur est difficile à fritter. L'introduction d'auxiliaires de frittage d'oxydes de terres rares peut former des phases intergranulaires complexes d'oxyde/nitrure au sein de la structure céramique, conférant aux matériaux en nitrure de silicium de bonnes performances à des températures élevées.

De plus, les terres rares jouent un rôle important dans l’acier des carrosseries automobiles, les engrenages, les moyeux de roue et même les vis. Même l’industrie de fabrication de pneus a besoin de matériaux polymères de terres rares comme stabilisants. On peut dire que dans le domaine automobile, les terres rares, bien qu’utilisées en faible quantité, sont indispensables !

Le 1er mars, Tesla a organisé sa Journée des investisseurs 2023 et a annoncé que ses moteurs de nouvelle génération élimineraient complètement l’utilisation de terres rares. Cette nouvelle a suscité une attention et un scepticisme considérables.

Il est important de noter qu’en 2020, 77 % des véhicules électriques dans le monde utilisaient des moteurs à aimants permanents à base de terres rares. Sur le marché chinois des NEV, plus de 90 % des véhicules électriques utilisent des moteurs à aimants permanents aux terres rares.

Du point de vue des ressources :Selon les données de l'USGS de 2021, en utilisant les réserves d'oxyde de terres rares (REO) comme mesure statistique, les réserves mondiales totales de ressources en terres rares sont d'environ 120 millions de tonnes. Ils sont principalement distribués en Chine, au Vietnam, au Brésil, en Russie et dans d'autres pays. Les réserves combinées de ces quatre pays représentent 86,4 % du total mondial, la Chine détenant 44 millions de tonnes et le Vietnam, le Brésil et la Russie détenant chacun plus de 20 millions de tonnes.

Actuellement, la Chine représente 35,2 % des réserves mondiales, 58 % de la production minière mondiale et 65 % de la consommation mondiale, ce qui la classe au premier rang mondial dans ces trois domaines. C'est le plus grand producteur, exportateur et consommateur mondial, occupant une position dominante.

Un cadre de Zhongke Sanhuan a précédemment déclaré qu'en moyenne, chaque NEV utilise actuellement environ 2,5 kilogrammes de matériau à aimant permanent NdFeB. Sur cette base, la demande mondiale de NEV en matériaux magnétiques de terres rares devrait atteindre 30 000 tonnes d’ici 2025.

Simultanément, la Chine renforce son contrôle sur les terres rares. En 2021, le ministère de l'Industrie et des Technologies de l'information et le ministère des Ressources naturelles ont publié l'« Avis sur la publication des indicateurs de contrôle total 2021 pour l'extraction des terres rares et la séparation par fusion ». Les indicateurs de contrôle totaux pour l'extraction et la séparation par fusion des terres rares en 2021 étaient respectivement de 168 000 tonnes et 162 000 tonnes, soit une augmentation d'environ 20 % par rapport à 2020. Un projet d'avis précédent indiquait explicitement qu'aucune unité ou individu ne pouvait investir ou construire des projets d'extraction ou de séparation par fusion de terres rares sans approbation, donnant ainsi le ton général pour l'avenir de l'exploitation et de la séparation des terres rares au niveau national : mise en œuvre continue du contrôle total des quotas.

La même année, le « Rapport d'examen de la chaîne d'approvisionnement à 100 jours » de la Maison Blanche des États-Unis a souligné que la dépendance des États-Unis à l'égard des importations d'aimants de terres rares au sein de la chaîne industrielle des terres rares constitue une menace pour la sécurité nationale. En réponse, un rapport du Département américain du Commerce a recommandé d'augmenter le soutien aux fabricants nationaux d'aimants permanents au moyen de crédits d'impôt, de subventions, d'achats prioritaires et de stockage de matériel de défense, en promouvant vigoureusement les processus visant à réduire/éliminer les terres rares dans les matériaux à aimants permanents et à « désiniser » la chaîne industrielle des aimants permanents.

SelonNikkeï, les États-Unis reconstruisent leur réseau d’approvisionnement en aimants de terres rares. Afin de réduire la dépendance à l'égard de la Chine en matière de matériaux stratégiques, certains processus de production dans lesquels la Chine détient une part importante seront délocalisés vers le continent américain, et les entreprises américaines bénéficiant du soutien du gouvernement accélèrent leurs investissements. Toutefois, reconstruire un réseau d’approvisionnement longtemps dépendant de la Chine n’est pas une tâche facile. Les États-Unis, avec leurs coûts d’approvisionnement en matières premières et de logistique plus élevés, ne disposent pas d’un avantage concurrentiel. L’analyse de Bloomberg suggère qu’il faudrait au moins une décennie aux États-Unis pour atteindre l’autosuffisance dans leur chaîne d’approvisionnement en terres rares.

Si l'on ajoute à cela des facteurs tels que la hausse des prix des terres rares, il n'est pas surprenant que les constructeurs automobiles japonais, européens et américains recherchent des alternatives et commencent à rechercher et développer des moteurs sans terres rares.

Du point de vue des performances :Lors de son lancement en 2012, la Tesla Model S était équipée d'un moteur à induction. Bien que les moteurs à induction présentent certains avantages en termes de coût, ils présentent également des inconvénients tels qu'une grande taille et un rendement moindre, qui affectent l'autonomie.

Pour les NEV, l’autonomie est un facteur de compétitivité clé. Le poids plus lourd et le rendement de conversion plus faible des moteurs à induction conduisent à une autonomie réduite du véhicule. C’est l’une des principales raisons pour lesquelles de nombreux constructeurs automobiles optent pour des moteurs à aimants permanents.

Il convient de noter que Tesla est passé à un moteur à courant continu à aimant permanent à partir du modèle 3 et a finalement adopté ce moteur dans d'autres modèles également. Les données montrent que le moteur à aimant permanent utilisé dans le modèle 3 est environ 6 % plus efficace que le moteur à induction utilisé précédemment.

D'un point de vue matériel :En ce qui concerne les « terres rares », le matériau alternatif le plus répandu actuellement est la « ferrite ». Cette céramique composée de fer et d’oxygène, mélangés à de petites quantités de métal, permet de produire des aimants. C’est bon marché et facile à fabriquer.

Cependant, la ferrite a toujours été un substitut bas de gamme aux terres rares NdFeB. Ses performances, son volume et d’autres aspects sont difficiles à égaler les niveaux de NdFeB. Il peut être utilisé dans certains micromoteurs de véhicules. Quant aux aimants permanents samarium-cobalt (SmCo), ils contiennent eux-mêmes la terre rare samarium et sont radioactifs. Ils ne sont actuellement utilisés que dans les domaines militaire, aérospatial et similaires. Les remplacer dans les NEV serait contre-productif.

Actuellement, plusieurs fabricants ont commencé à rechercher des options sans terres rares. Cependant, qu'il s'agisse des aimants azote-fer de la startup Niron ou d'un autre matériau à haute force magnétique contenant du manganèse, aucun ne peut être fabriqué et conservé à long terme sous une forme idéale. Même les prototypes d'aimants au manganèse-bismuth (Mn-Bi) précédemment rapportés, produits avec succès par DA Technology et Koreen, ne font actuellement l'objet que de travaux de vérification et d'amélioration des performances.

De toute évidence, compte tenu de la recherche de faibles coûts et d'une efficacité élevée par l'industrie des NEV, associée aux défis techniques non résolus, se libérer complètement des ressources en terres rares n'est pas impossible, mais cela est irréalisable à court terme. À tout le moins, en Chine, les moteurs à base de terres rares resteront la direction dominante des applications automobiles dans un avenir prévisible.