"Tanpa Logam Tanah Jarang, Tanpa Mobil"?

Dalam beberapa tahun terakhir, boomingnya pasar kendaraan energi baru (NEV) telah mendorong seluruh rantai industri untuk berkembang, membawa peluang pengembangan yang belum pernah terjadi sebelumnya untuk material energi baru, aplikasi baru, dan pasar baru. Sebagai salah satu kelompok sumber daya mineral strategis yang penting, unsur tanah jarang memegang posisi penting dalam industri NEV.

Tanah jarang mengacu pada serangkaian unsur, termasuk yttrium, skandium, dan 17 unsur lantanida. Unsur-unsur ini memainkan peran penting dalam industri modern dan disebut sebagai "MSG industri", yang mampu meningkatkan kualitas atau kinerja material di sektor-sektor seperti elektronik dan teknologi informasi, petrokimia, metalurgi, dan energi.

Dalam aplikasi NEV, tanah jarang terutama digunakan pada motor penggerak, speaker, dan hard disk drive kendaraan listrik. Berdasarkan tujuan netralitas karbon, permintaan Tiongkok akan logam tanah jarang meningkat pesat seiring dengan pesatnya perkembangan industri NEV. Data menunjukkan bahwa NEV dan industri elektronik menyumbang porsi tertinggi dalam konsumsi logam tanah jarang global, mencapai 35%. Bahan tanah jarang sangat diperlukan dalam aplikasi NEV.

Melihat konsumsi logam tanah jarang dalam sektor NEV, konsumsi tersebut sebagian besar melibatkan bahan magnet permanen tanah jarang dan bahan penyimpanan hidrogen tanah jarang, yang masing-masing menyumbang 64% dan 36%. Dalam industri NEV, baik untuk kendaraan hibrida, listrik murni, atau sel bahan bakar yang baru lahir, motor magnet permanen merupakan komponen inti yang penting. Magnet permanen tanah jarang mencakup sekitar 60% dari aplikasi tanah jarang di sektor NEV.

"Magnet permanen" secara harfiah berarti mempertahankan medan magnet yang tahan lama dan stabil. Untuk mempertahankan fenomena ini diperlukan unsur tanah jarang "neodymium". Menambahkan "besi" dan "boron" ke "neodymium" menciptakan medan magnet yang kuat dan selalu aktif—neodymium iron boron (NdFeB).

Magnet NdFeB memberikan gaya magnet yang kuat, memungkinkan motor menghasilkan torsi dan keluaran daya yang lebih besar dalam volume yang lebih kecil. Artinya, kendaraan listrik dapat berakselerasi ke kecepatan yang sama lebih cepat sekaligus meningkatkan efisiensi energi kendaraan secara keseluruhan, sehingga meningkatkan performa berkendara secara signifikan.

Kedua, motor sangat efisien yang dibuat dengan magnet NdFeB memungkinkan kendaraan listrik mencapai pemanfaatan energi yang lebih tinggi dari kapasitas baterai yang sama. Ini berarti kendaraan dapat menggunakan energi yang disimpan dalam baterai secara lebih efektif, sehingga memperluas jangkauan berkendara. Bagi konsumen, hal ini mengurangi kekhawatiran akan jangkauan, sehingga memfasilitasi adopsi NEV secara lebih luas.

Selain itu, dibandingkan dengan kendaraan bermesin pembakaran internal tradisional, kendaraan listrik lebih menekankan pada bobot kendaraan yang lebih ringan. Magnet NdFeB memiliki sifat magnet yang kuat, memungkinkannya menghasilkan daya keluaran yang sama dengan volume dan berat yang lebih kecil.

Pada saat yang sama, dalam motor magnet permanen, NdFeB adalah salah satu bahan magnet permanen yang paling umum digunakan. Biasanya, sejumlah kecil galium dan unsur tanah jarang yang berat seperti disprosium, praseodymium, dan terbium juga dicampur untuk memastikan ketahanan panas motor magnet permanen. Namun, unsur tanah jarang yang berat memiliki cadangan bijih yang lebih langka dan harganya lebih mahal. Saat ini, beberapa perusahaan beralih ke penggunaan logam tanah jarang yang lebih ringan dan mengurangi penggunaan tanah jarang yang berat.

Unsur tanah jarang tidak hanya berpartisipasi dalam pembuatan bahan elektroda baterai litium yang umum digunakan saat ini, tetapi juga berfungsi sebagai bahan baku yang sangat baik untuk pembuatan elektroda positif dalam baterai asam timbal atau baterai nikel-metal hidrida (NiMH).

1. Baterai Nikel-Metal Hidrida (NiMH).
   Untuk kendaraan hibrida, pemilihan baterai NiMH tipe daya dan sistem manajemennya menawarkan keuntungan seperti karakteristik daya tinggi, daya tahan, keandalan, dan margin keamanan yang besar. Saat ini, sebagian besar baterai NiMH tipe daya yang tersedia secara komersial menggunakan paduan penyimpanan hidrogen tanah jarang tipe AB5 sebagai bahan elektroda negatif. Menggunakan bubuk paduan penyimpanan hidrogen tanah jarang sebagai bahan elektroda negatif menawarkan manfaat seperti kapasitas tinggi, tidak ada polusi lingkungan, dan siklus hidup yang panjang, sehingga memegang posisi penting dalam pengembangan baterai. Saat ini, 85% HEV global menggunakan baterai NiMH. Di masa mendatang, baterai daya NiMH akan tetap menjadi pilihan utama untuk HEV, dan bahan elektroda negatif penyimpanan hidrogen yang digunakan dapat sepenuhnya memenuhi persyaratan baterai HEV NiMH.
2. Baterai litium-ion
   Penambahan unsur tanah jarang memberikan stabilitas struktural yang lebih baik pada material dan memperluas saluran tiga dimensi untuk migrasi litium-ion aktif. Hal ini memberikan baterai litium-ion yang telah disiapkan dengan stabilitas pengisian daya yang lebih tinggi, reversibilitas siklus elektrokimia, dan masa pakai siklus yang lebih lama.
3. Baterai Asam Timbal
   Penelitian dalam negeri menunjukkan bahwa penambahan tanah jarang bermanfaat untuk meningkatkan kekuatan tarik, kekerasan, ketahanan terhadap korosi, dan potensi berlebih evolusi oksigen dari paduan berbasis timbal pada pelat elektroda. Menambahkan tanah jarang ke bahan aktif dapat mengurangi evolusi oksigen dari elektroda positif dan meningkatkan tingkat pemanfaatan bahan aktif positif, sehingga meningkatkan kinerja dan masa pakai baterai.

Diketahui bahwa tidak semua NEV mencapai nol emisi. Misalnya, kendaraan listrik hibrida dan jarak jauh masih mengeluarkan gas buang selama pengoperasian. Beberapa kendaraan diwajibkan untuk memasang konverter katalitik tiga arah (TWC) pada saat pembuatan, yang menggunakan katalis bawaan untuk bereaksi dan mengubah gas berbahaya menjadi gas yang tidak berbahaya. Konstituen utama TWC adalah unsur tanah jarang. Karena struktur elektronnya yang unik, tanah jarang memiliki kapasitas penyimpanan oksigen yang berbeda. Misalnya, cerium dalam CeO₂ dapat mengubah bilangan oksidasinya, sehingga menawarkan kemampuan penyimpanan dan pelepasan oksigen yang sangat baik. Ia dapat menyimpan/melepaskan oksigen dalam kondisi bahan bakar yang sedikit/kaya, sehingga meningkatkan efisiensi konversi katalis untuk CO, HC, dan NOx.

Unsur tanah jarang disebut juga “vitamin” keramik khusus karena sering digunakan sebagai bahan tambahan pada bahan keramik untuk meningkatkan kinerjanya. Misalnya, komponen inti sensor oksigen zirkonia adalah film zirkonia, biasanya dibentuk dengan doping zirkonia dengan unsur tanah jarang. Saat terkena oksigen, konduktivitas film zirkonia berubah, sehingga mengontrol efisiensi pembakaran mesin dan tingkat emisi.

Tanah jarang merupakan komponen doping penting dalam bubuk dielektrik MLCC, yang secara efektif meningkatkan keandalan MLCC. Mereka adalah bahan mentah yang sangat diperlukan dalam pengembangan bubuk keramik untuk MLCC kelas atas. Misalnya, oksida tanah jarang seperti Y₂O₃ dan La₂O₃ digunakan sebagai aditif dalam MLCC untuk meningkatkan sifat dielektrik keramik dan meningkatkan kerapatan kapasitor serta rentang frekuensi pengoperasian. Kedua, pembentukan lapisan tipis oksida tanah jarang antara keramik dan elektroda dapat meningkatkan kekuatan ikatan dan stabilitas antarmuka, mengurangi tingkat kegagalan kapasitor dan arus bocor. Selain itu, oksida tanah jarang memiliki titik leleh dan stabilitas termal yang tinggi, yang dapat mengurangi kehilangan dielektrik di lingkungan bersuhu tinggi serta meningkatkan keandalan dan masa pakai MLCC.

Bantalan keramik silikon nitrida (Si₃N₄) dianggap sebagai bahan terbaik untuk pembuatan bantalan otomotif karena keunggulannya seperti ringan, kekerasan tinggi, kekuatan tinggi, gesekan rendah, tahan panas tinggi, insulasi listrik yang sangat baik, dan umur panjang. Namun, silikon nitrida murni sulit untuk disinter. Memperkenalkan alat bantu sintering oksida tanah jarang dapat membentuk fase intergranular oksida/nitrida kompleks di dalam struktur keramik, sehingga memberikan kinerja yang baik pada bahan silikon nitrida pada suhu tinggi.

Selain itu, tanah jarang memainkan peran penting dalam baja bodi otomotif, roda gigi, hub roda, dan bahkan sekrup. Bahkan industri pembuatan ban membutuhkan bahan polimer tanah jarang sebagai bahan stabilisator. Dapat dikatakan bahwa dalam bidang otomotif, tanah jarang, meskipun digunakan dalam jumlah kecil, sangat diperlukan!

Pada tanggal 1 Maret, Tesla mengadakan Hari Investor 2023 dan mengumumkan bahwa motor generasi berikutnya akan sepenuhnya menghilangkan penggunaan tanah jarang. Berita ini menarik banyak perhatian dan skeptisisme.

Penting untuk dicatat bahwa pada tahun 2020, 77% kendaraan listrik global menggunakan motor magnet permanen berbasis tanah jarang. Di pasar NEV Tiongkok, lebih dari 90% kendaraan listrik menggunakan motor magnet permanen tanah jarang.

Dari Perspektif Sumber Daya:Menurut data USGS pada tahun 2021, dengan menggunakan cadangan Rare Earth Oxide (REO) sebagai metrik statistik, total cadangan sumber daya tanah jarang global berjumlah sekitar 120 juta ton. Mereka terutama didistribusikan di Tiongkok, Vietnam, Brasil, Rusia, dan negara-negara lain. Gabungan cadangan keempat negara ini mencapai 86,4% dari total global, dengan Tiongkok memiliki 44 juta ton, dan Vietnam, Brazil, dan Rusia masing-masing memiliki lebih dari 20 juta ton.

Saat ini, Tiongkok menyumbang 35,2% cadangan global, 58% hasil pertambangan global, dan 65% konsumsi global—peringkat pertama secara global dalam ketiga aspek tersebut. Negara ini merupakan produsen, eksportir, dan konsumen terbesar di dunia, yang memegang posisi dominan.

Seorang eksekutif dari Zhongke Sanhuan sebelumnya menyatakan, rata-rata setiap NEV saat ini menggunakan sekitar 2,5 kilogram material magnet permanen NdFeB. Berdasarkan hal ini, permintaan NEV global untuk bahan magnetik tanah jarang diperkirakan akan mencapai 30.000 ton pada tahun 2025.

Pada saat yang sama, Tiongkok memperketat kendalinya atas logam tanah jarang. Pada tahun 2021, Kementerian Perindustrian dan Teknologi Informasi dan Kementerian Sumber Daya Alam mengeluarkan "Pemberitahuan Penerbitan Indikator Pengendalian Total Penambangan dan Pemisahan Peleburan Tanah Jarang Tahun 2021". Indikator pengendalian total untuk penambangan tanah jarang dan pemisahan peleburan pada tahun 2021 masing-masing adalah 168.000 ton dan 162.000 ton, meningkat sekitar 20% dibandingkan tahun 2020. Draf pendapat sebelumnya secara eksplisit menyatakan bahwa tidak ada satuan atau individu yang boleh berinvestasi atau membangun proyek penambangan tanah jarang atau pemisahan peleburan tanpa persetujuan, sehingga membentuk pola keseluruhan untuk penambangan dan pemisahan tanah jarang dalam negeri di masa depan: penerapan kontrol kuota total yang berkelanjutan.

Pada tahun yang sama, "Laporan Tinjauan Rantai Pasokan 100 Hari" Gedung Putih AS menyoroti bahwa ketergantungan AS pada impor magnet tanah jarang dalam rantai industri tanah jarang menimbulkan ancaman terhadap keamanan nasional. Sebagai tanggapan, laporan Departemen Perdagangan AS merekomendasikan peningkatan dukungan bagi produsen magnet permanen dalam negeri AS melalui kredit pajak, subsidi, pengadaan prioritas, dan penimbunan pertahanan, dengan penuh semangat mendorong proses untuk mengurangi/menghilangkan logam tanah jarang dalam bahan magnet permanen dan "menghilangkan Sinicisasi" rantai industri magnet permanen.

MenurutNikkei, AS sedang membangun kembali jaringan pasokan magnet tanah jarang. Untuk mengurangi ketergantungan pada Tiongkok dalam bahan-bahan strategis, beberapa proses produksi di mana Tiongkok memiliki pangsa besar akan direlokasi ke daratan AS, dan perusahaan-perusahaan AS yang menerima dukungan pemerintah sedang mempercepat investasi. Namun, membangun kembali jaringan pasokan yang sudah lama bergantung pada Tiongkok bukanlah tugas yang mudah. Amerika, dengan biaya pengadaan bahan baku dan logistik yang lebih tinggi, tidak memiliki keunggulan kompetitif. Analisis Bloomberg menunjukkan bahwa Amerika memerlukan setidaknya satu dekade untuk mencapai swasembada dalam rantai pasokan tanah jarang.

Ditambah dengan faktor-faktor seperti kenaikan harga logam tanah jarang, tidak mengherankan jika produsen mobil Jepang, Eropa, dan Amerika mencari alternatif dan mulai meneliti dan mengembangkan motor bebas tanah jarang.

Dari Perspektif Kinerja:Saat Tesla Model S diluncurkan pada tahun 2012, sudah dilengkapi dengan motor induksi. Meskipun motor induksi memiliki keunggulan biaya tertentu, motor induksi juga memiliki kelemahan seperti ukurannya yang besar dan efisiensi yang lebih rendah, yang mempengaruhi jangkauan.

Bagi NEV, jarak berkendara (driving range) merupakan faktor kompetitif utama. Bobot yang lebih berat dan efisiensi konversi motor induksi yang lebih rendah menyebabkan berkurangnya jangkauan kendaraan. Inilah alasan utama mengapa banyak pembuat mobil memilih motor magnet permanen.

Perlu dicatat bahwa Tesla beralih ke motor DC magnet permanen yang dimulai dengan Model 3 dan akhirnya mengadopsi motor ini di model lain juga. Data menunjukkan bahwa motor magnet permanen yang digunakan pada Model 3 sekitar 6% lebih efisien dibandingkan motor induksi yang digunakan sebelumnya.

Dari Perspektif Material:Mengenai "de-rare-earthing", material alternatif yang paling menonjol saat ini adalah "ferit". Keramik yang tersusun dari besi dan oksigen ini, dicampur dengan sedikit logam, dapat menghasilkan magnet. Ini murah dan mudah dibuat.

Namun, ferit selalu menjadi pengganti NdFeB tanah jarang yang low-end. Performa, volume, dan aspek lainnya sulit untuk menandingi level NdFeB. Ini dapat digunakan di beberapa motor mikro di kendaraan. Sedangkan untuk magnet permanen samarium-kobalt (SmCo), mengandung samarium unsur tanah jarang dan bersifat radioaktif. Saat ini mereka hanya digunakan di bidang militer, ruang angkasa, dan bidang serupa. Menggantinya dengan NEV akan menjadi kontraproduktif.

Saat ini, beberapa produsen telah mulai meneliti opsi-opsi yang bebas tanah jarang. Namun, apakah itu magnet besi-nitrogen milik Niron yang baru didirikan atau bahan berkekuatan magnet tinggi lainnya yang mengandung mangan, keduanya tidak dapat diproduksi dan diawetkan dalam jangka panjang dalam bentuk yang ideal. Bahkan prototipe magnet mangan-bismut (Mn-Bi) yang dilaporkan sebelumnya berhasil diproduksi oleh DA Technology dan Koreen saat ini hanya menjalani verifikasi kinerja dan pekerjaan peningkatan.

Tentu saja, mengingat industri NEV berupaya mengejar biaya rendah dan efisiensi tinggi, ditambah dengan tantangan teknis yang belum terselesaikan, sepenuhnya melepaskan diri dari sumber daya tanah jarang bukanlah hal yang mustahil, namun hal ini tidak dapat dicapai dalam jangka pendek. Setidaknya, di Tiongkok, motor logam tanah jarang akan tetap menjadi tren utama dalam penerapan kendaraan di masa mendatang.