"Keine Seltenen Erden, kein Auto"?

In den letzten Jahren hat der boomende Markt für neue Energiefahrzeuge (NEV) die gesamte Industriekette zum Aufblühen gebracht und beispiellose Entwicklungsmöglichkeiten für verwandte neue Energiematerialien, neue Anwendungen und neue Märkte eröffnet. Als wichtige Klasse strategischer Mineralressourcen nehmen Seltenerdelemente eine bedeutende Stellung in der NEV-Industrie ein.

Seltene Erden beziehen sich auf eine Reihe von Elementen, darunter Yttrium, Scandium und die 17 Lanthanidenelemente. Diese Elemente spielen in der modernen Industrie eine entscheidende Rolle und werden als „industrielles MSG“ gefeiert, das die Materialqualität oder -leistung in Sektoren wie Elektronik und Informationstechnologie, Petrochemie, Metallurgie und Energie verbessern kann.

Bei NEV-Anwendungen werden Seltene Erden vor allem in Antriebsmotoren, Lautsprechern und Festplattenlaufwerken von Elektrofahrzeugen eingesetzt. Im Rahmen der CO2-Neutralitätsziele steigt Chinas Nachfrage nach Seltenen Erden parallel zur raschen Entwicklung der NEV-Industrie rapide an. Daten zeigen, dass NEVs und die Elektronikindustrie mit 35 % den höchsten Anteil am weltweiten Verbrauch seltener Erden ausmachen. Seltenerdmaterialien sind in NEV-Anwendungen unverzichtbar.

Betrachtet man den Verbrauch seltener Erden im NEV-Sektor, so handelt es sich hauptsächlich um seltene Erden-Permanentmagnetmaterialien und seltene Erden-Wasserstoffspeichermaterialien, die 64 % bzw. 36 % ausmachen. In der NEV-Industrie, sei es für Hybrid-, reine Elektro- oder die aufkommenden Brennstoffzellenfahrzeuge, sind Permanentmagnetmotoren wesentliche Kernkomponenten. Seltenerd-Permanentmagnete machen etwa 60 % der Seltenerd-Anwendungen im NEV-Sektor aus.

„Permanentmagnet“ bedeutet wörtlich, ein langanhaltendes und stabiles Magnetfeld aufrechtzuerhalten. Um dieses Phänomen aufrechtzuerhalten, ist das Seltenerdelement „Neodym“ erforderlich. Durch die Zugabe von „Eisen“ und „Bor“ zu „Neodym“ entsteht ein starkes und ständig aktives Magnetfeld – Neodym-Eisen-Bor (NdFeB).

NdFeB-Magnete sorgen für eine starke Magnetkraft, sodass Motoren ein höheres Drehmoment und eine höhere Leistungsabgabe bei kleinerem Volumen liefern können. Dies bedeutet, dass Elektrofahrzeuge schneller auf die gleiche Geschwindigkeit beschleunigen und gleichzeitig die Gesamtenergieeffizienz des Fahrzeugs verbessern können, was die Fahrleistung deutlich steigert.

Zweitens ermöglichen hocheffiziente Motoren mit NdFeB-Magneten, dass Elektrofahrzeuge bei gleicher Batteriekapazität eine höhere Energieausnutzung erzielen. Dies bedeutet, dass Fahrzeuge die in Batterien gespeicherte Energie effektiver nutzen und so die Reichweite erhöhen können. Für die Verbraucher verringert dies die Reichweitenangst und erleichtert die breitere Einführung von NEVs.

Darüber hinaus legen Elektrofahrzeuge im Vergleich zu herkömmlichen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor größeren Wert auf die Leichtbauweise der Fahrzeuge. NdFeB-Magnete verfügen über starke magnetische Eigenschaften, die es ihnen ermöglichen, die gleiche Ausgangsleistung bei geringerem Volumen und Gewicht zu liefern.

Gleichzeitig ist NdFeB eines der am häufigsten verwendeten Permanentmagnetmaterialien in Permanentmagnetmotoren. Typischerweise werden auch kleine Mengen Gallium und schwere Seltenerdelemente wie Dysprosium, Praseodym und Terbium beigemischt, um die Hitzebeständigkeit des Permanentmagnetmotors sicherzustellen. Allerdings sind schwere Seltenerdelemente in den Erzreserven seltener und teurer. Derzeit gehen einige Unternehmen dazu über, mehr leichte Seltene Erden zu verwenden und den Einsatz schwerer Seltener Erden zu reduzieren.

Seltenerdelemente sind nicht nur an der Herstellung der gängigen Elektrodenmaterialien für Lithiumbatterien beteiligt, sondern dienen auch als hervorragende Rohstoffe für die Herstellung positiver Elektroden in Blei-Säure- oder Nickel-Metallhydrid-Batterien (NiMH).

1. Nickel-Metallhydrid-Akkus (NiMH).
   Für Hybridfahrzeuge bietet die Auswahl von NiMH-Akkus und deren Managementsystemen Vorteile wie hohe Leistungseigenschaften, Haltbarkeit, Zuverlässigkeit und einen großen Sicherheitsspielraum. Derzeit verwenden die meisten im Handel erhältlichen NiMH-Batterien vom Leistungstyp eine Seltenerd-Wasserstoffspeicherlegierung vom Typ AB5 als negatives Elektrodenmaterial. Die Verwendung von Seltenerd-Wasserstoffspeicherlegierungspulver als negatives Elektrodenmaterial bietet Vorteile wie hohe Kapazität, keine Umweltverschmutzung und eine lange Lebensdauer und nimmt eine wichtige Position in der Batterieentwicklung ein. Derzeit verwenden 85 % aller HEVs weltweit NiMH-Batterien. Auf absehbare Zeit werden NiMH-Leistungsbatterien die bevorzugte Wahl für HEVs bleiben, und die verwendeten Materialien für die Wasserstoffspeicherung der negativen Elektrode können die Anforderungen von HEV-NiMH-Batterien vollständig erfüllen.
2. Lithium-Ionen-Batterien
   Der Zusatz von Seltenerdelementen sorgt für eine höhere strukturelle Stabilität der Materialien und erweitert die dreidimensionalen Kanäle für die aktive Lithium-Ionen-Migration. Dies verleiht den vorbereiteten Lithium-Ionen-Batterien eine höhere Ladestabilität, Reversibilität bei elektrochemischen Zyklen und eine längere Lebensdauer.
3. Blei-Säure-Batterien
   Inländische Untersuchungen zeigen, dass die Zugabe seltener Erden zur Verbesserung der Zugfestigkeit, Härte, Korrosionsbeständigkeit und des Überpotentials der Sauerstoffentwicklung der bleibasierten Legierung in Elektrodenplatten beiträgt. Durch die Zugabe von Seltenen Erden zum Aktivmaterial kann die Sauerstoffentwicklung aus der positiven Elektrode verringert und die Ausnutzungsrate des positiven Aktivmaterials erhöht werden, wodurch die Batterieleistung und -lebensdauer verbessert werden.

Es ist bekannt, dass nicht alle NEVs emissionsfrei sind. Beispielsweise stoßen Hybrid- und Elektrofahrzeuge mit größerer Reichweite im Betrieb immer noch Abgase aus. Bei einigen Fahrzeugen ist der Einbau von Drei-Wege-Katalysatoren (TWC) bei der Herstellung vorgeschrieben, die mithilfe eingebauter Katalysatoren reagieren und schädliche Gase in harmlose umwandeln. Der Hauptbestandteil von TWCs sind genau die Seltenerdelemente. Aufgrund ihrer einzigartigen Elektronenstruktur verfügen Seltene Erden über eine ausgeprägte Sauerstoffspeicherkapazität. Beispielsweise kann Cer in CeO₂ seinen Oxidationszustand ändern und bietet so hervorragende Möglichkeiten zur Sauerstoffspeicherung und -abgabe. Es kann Sauerstoff unter mageren/fetten Kraftstoffbedingungen speichern/freisetzen und dadurch die Umwandlungseffizienz des Katalysators für CO, HC und NOx verbessern.

Seltenerdelemente werden auch als „Vitamine“ von Spezialkeramiken bezeichnet, da sie häufig als Zusatzstoffe in keramischen Werkstoffen zur Leistungssteigerung eingesetzt werden. Die Kernkomponente eines Zirkonoxid-Sauerstoffsensors ist beispielsweise ein Zirkonoxidfilm, der typischerweise durch Dotieren von Zirkonoxid mit Seltenerdelementen gebildet wird. Bei Einwirkung von Sauerstoff verändert sich die Leitfähigkeit des Zirkonoxidfilms und steuert dadurch die Verbrennungseffizienz und die Emissionswerte des Motors.

Seltene Erden sind wichtige Dotierungskomponenten in dielektrischen MLCC-Pulvern und verbessern effektiv die MLCC-Zuverlässigkeit. Sie sind unverzichtbare Rohstoffe bei der Entwicklung von Keramikpulvern für High-End-MLCCs. Beispielsweise werden Seltenerdoxide wie Y₂O₃ und La₂O₃ als Additive in MLCCs verwendet, um die dielektrischen Eigenschaften von Keramiken zu verbessern und die Kondensatordichte und den Betriebsfrequenzbereich zu erhöhen. Zweitens kann die Bildung einer dünnen Schicht aus Seltenerdoxid zwischen Keramik und Elektrode die Bindungskraft und Grenzflächenstabilität verbessern und so die Ausfallraten von Kondensatoren und den Leckstrom verringern. Darüber hinaus verfügen Seltenerdoxide über hohe Schmelzpunkte und thermische Stabilität, was den dielektrischen Verlust in Hochtemperaturumgebungen reduzieren und die Zuverlässigkeit und Lebensdauer des MLCC verbessern kann.

Keramiklager aus Siliziumnitrid (Si₃N₄) gelten aufgrund ihrer Vorteile wie geringes Gewicht, hohe Härte, hohe Festigkeit, geringe Reibung, hohe Hitzebeständigkeit, hervorragende elektrische Isolierung und lange Lebensdauer als das beste Material für die Herstellung von Automobillagern. Allerdings ist reines Siliziumnitrid schwer zu sintern. Durch die Einführung von Sinterhilfsmitteln aus seltenen Erdoxiden können komplexe intergranulare Oxid-/Nitridphasen innerhalb der Keramikstruktur gebildet werden, was Siliziumnitridmaterialien eine gute Leistung bei erhöhten Temperaturen verleiht.

Darüber hinaus spielen seltene Erden eine bedeutende Rolle in Karosseriestahl, Zahnrädern, Radnaben und sogar Schrauben. Sogar die Reifenindustrie benötigt Seltenerd-Polymermaterialien als Stabilisatoren. Man kann sagen, dass im Automobilbereich seltene Erden, wenn auch in geringen Mengen, unverzichtbar sind!

Am 1. März veranstaltete Tesla seinen Investorentag 2023 und kündigte an, dass seine Motoren der nächsten Generation vollständig auf den Einsatz seltener Erden verzichten würden. Diese Nachricht erregte große Aufmerksamkeit und Skepsis.

Es ist wichtig anzumerken, dass im Jahr 2020 77 % der weltweiten Elektrofahrzeuge Permanentmagnetmotoren auf der Basis seltener Erden verwendeten. Auf dem chinesischen NEV-Markt verwenden über 90 % der Elektrofahrzeuge Permanentmagnetmotoren aus seltenen Erden.

Aus Ressourcensicht:Laut USGS-Daten aus dem Jahr 2021 belaufen sich die weltweiten Gesamtressourcenreserven an Seltenerdoxiden (REO) unter Verwendung der Seltenerdoxid-Reserven (REO) als statistische Kennzahl auf etwa 120 Millionen Tonnen. Sie werden hauptsächlich in China, Vietnam, Brasilien, Russland und anderen Ländern vertrieben. Die kombinierten Reserven dieser vier Länder machen 86,4 % der weltweiten Gesamtreserven aus, wobei China über 44 Millionen Tonnen verfügt und Vietnam, Brasilien und Russland jeweils über 20 Millionen Tonnen besitzen.

Derzeit entfallen auf China 35,2 % der weltweiten Reserven, 58 % der weltweiten Bergbauproduktion und 65 % des weltweiten Verbrauchs – China steht in allen drei Aspekten weltweit an erster Stelle. Es ist der weltweit größte Produzent, Exporteur und Verbraucher und nimmt eine beherrschende Stellung ein.

Ein leitender Angestellter von Zhongke Sanhuan erklärte zuvor, dass jedes NEV derzeit durchschnittlich etwa 2,5 Kilogramm NdFeB-Permanentmagnetmaterial verwendet. Auf dieser Grundlage wird prognostiziert, dass die weltweite NEV-Nachfrage nach magnetischen Seltenerdmaterialien bis 2025 30.000 Tonnen erreichen wird.

Gleichzeitig verschärft China seine Kontrolle über Seltene Erden. Im Jahr 2021 gaben das Ministerium für Industrie und Informationstechnologie und das Ministerium für natürliche Ressourcen die „Mitteilung zur Herausgabe der Gesamtkontrollindikatoren 2021 für den Abbau seltener Erden und die Schmelztrennung“ heraus. Die gesamten Kontrollindikatoren für den Abbau seltener Erden und die Schmelztrennung beliefen sich im Jahr 2021 auf 168.000 Tonnen bzw. 162.000 Tonnen, was einem Anstieg von etwa 20 % im Vergleich zu 2020 entspricht. In einem früheren Stellungnahmeentwurf wurde ausdrücklich festgestellt, dass keine Einheit oder Einzelperson ohne Genehmigung in Projekte zum Abbau seltener Erden oder zur Schmelztrennung investieren oder diese errichten darf.

Im selben Jahr wurde im „100-Day Supply Chain Review Report“ des Weißen Hauses der USA hervorgehoben, dass die Abhängigkeit der USA von Importen von Seltenerdmagneten innerhalb der Industriekette für Seltene Erden eine Bedrohung für die nationale Sicherheit darstellt. Als Reaktion darauf empfahl ein Bericht des US-Handelsministeriums, die Unterstützung für inländische Permanentmagnethersteller in den USA durch Steuergutschriften, Subventionen, vorrangige Beschaffung und die Bevorratung von Verteidigungsgütern zu erhöhen und Prozesse zur Reduzierung/Beseitigung seltener Erden in Permanentmagnetmaterialien und zur „Entsinisierung“ der Permanentmagnetindustriekette energisch zu fördern.

EntsprechendNikkeiDie USA bauen ihr Versorgungsnetz für Seltenerdmagnete wieder auf. Um die Abhängigkeit von China bei strategischen Materialien zu verringern, werden einige Produktionsprozesse, an denen China einen hohen Anteil hält, auf das US-amerikanische Festland verlagert, und US-Unternehmen, die staatliche Unterstützung erhalten, beschleunigen ihre Investitionen. Allerdings ist der Wiederaufbau eines Versorgungsnetzes, das lange von China abhängig war, keine leichte Aufgabe. Den USA fehlt mit ihren höheren Rohstoffbeschaffungs- und Logistikkosten ein Wettbewerbsvorteil. Die Analyse von Bloomberg legt nahe, dass es mindestens ein Jahrzehnt dauern würde, bis die USA in ihrer Versorgungskette für seltene Erden die Selbstversorgung erreichen würden.

In Verbindung mit Faktoren wie steigenden Preisen für seltene Erden ist es nicht verwunderlich, dass japanische, europäische und amerikanische Autohersteller nach Alternativen suchen und beginnen, Motoren zu erforschen und zu entwickeln, die frei von seltenen Erden sind.

Aus Performance-Sicht:Als das Tesla Model S 2012 auf den Markt kam, war es mit einem Induktionsmotor ausgestattet. Während Induktionsmotoren gewisse Kostenvorteile bieten, haben sie auch Nachteile wie große Größe und geringere Effizienz, die sich auf die Reichweite auswirken.

Für NEVs ist die Reichweite ein entscheidender Wettbewerbsfaktor. Das höhere Gewicht und die geringere Umwandlungseffizienz von Induktionsmotoren führen zu einer geringeren Fahrzeugreichweite. Dies ist ein Hauptgrund, warum sich viele Automobilhersteller für Permanentmagnetmotoren entscheiden.

Es ist erwähnenswert, dass Tesla ab dem Modell 3 auf einen Permanentmagnet-Gleichstrommotor umgestiegen ist und diesen Motor schließlich auch in anderen Modellen übernommen hat. Daten zeigen, dass der im Modell 3 verwendete Permanentmagnetmotor etwa 6 % effizienter ist als der zuvor verwendete Induktionsmotor.

Aus materieller Sicht:Im Hinblick auf „De-Rare-Earth“ ist derzeit „Ferrit“ das prominenteste alternative Material. Diese Keramik aus Eisen und Sauerstoff, gemischt mit kleinen Mengen Metall, kann Magnete erzeugen. Es ist günstig und einfach herzustellen.

Allerdings war Ferrit schon immer ein preisgünstiger Ersatz für Seltenerdmetall NdFeB. Seine Leistung, sein Volumen und andere Aspekte sind mit den NdFeB-Niveaus nur schwer zu erreichen. Es kann in einigen Mikromotoren in Fahrzeugen verwendet werden. Samarium-Kobalt-Permanentmagnete (SmCo) enthalten selbst das seltene Erdelement Samarium und sind radioaktiv. Sie werden derzeit nur im Militär, in der Luft- und Raumfahrt und ähnlichen Bereichen eingesetzt. Sie in NEVs zu ersetzen, wäre kontraproduktiv.

Derzeit haben mehrere Hersteller mit der Erforschung seltenerdfreier Optionen begonnen. Doch egal, ob es sich um die Stickstoff-Eisen-Magnete des Startups Niron oder ein anderes manganhaltiges Material mit hoher Magnetkraft handelt, beides lässt sich nicht in idealer Form herstellen und langfristig konservieren. Sogar die zuvor gemeldeten Prototypen von Mangan-Wismut-Magneten (Mn-Bi), die von DA Technology und Koreen erfolgreich hergestellt wurden, werden derzeit nur der Leistungsüberprüfung und -verbesserung unterzogen.

Angesichts des Strebens der NEV-Industrie nach niedrigen Kosten und hoher Effizienz in Verbindung mit den ungelösten technischen Herausforderungen ist ein vollständiger Ausstieg aus den Ressourcen seltener Erden zwar nicht unmöglich, aber kurzfristig unerreichbar. Zumindest in China werden Seltenerdmotoren auf absehbare Zeit die Hauptrichtung für Fahrzeuganwendungen bleiben.