"Niente terre rare, nessuna macchina"?

Negli ultimi anni, il mercato dei veicoli a nuova energia (NEV) in forte espansione ha guidato l'intera catena industriale a prosperare, portando opportunità di sviluppo senza precedenti per i relativi materiali a nuova energia, nuove applicazioni e nuovi mercati. In quanto importante classe di risorse minerarie strategiche, gli elementi delle terre rare rivestono una posizione significativa nell'industria dei NEV.

Le terre rare si riferiscono a una serie di elementi, tra cui ittrio, scandio e i 17 elementi lantanidi. Questi elementi svolgono un ruolo vitale nell'industria moderna e sono salutati come "MSG industriale", in grado di migliorare la qualità o le prestazioni dei materiali in settori come l'elettronica e la tecnologia dell'informazione, la petrolchimica, la metallurgia e l'energia.

Nelle applicazioni NEV, le terre rare sono utilizzate principalmente nei motori di azionamento, negli altoparlanti e nei dischi rigidi dei veicoli elettrici. In base agli obiettivi di neutralità del carbonio, la domanda cinese di terre rare è in rapido aumento insieme al rapido sviluppo dell'industria dei NEV. I dati mostrano che i NEV e l'industria elettronica rappresentano la quota più alta del consumo globale di terre rare, raggiungendo il 35%. I materiali delle terre rare sono indispensabili nelle applicazioni NEV.

Guardando al consumo di terre rare all'interno del settore NEV, questo riguarda principalmente i materiali a magneti permanenti a terre rare e i materiali per l'accumulo di idrogeno a terre rare, che rappresentano rispettivamente il 64% e il 36%. Nell'industria dei NEV, sia per gli ibridi, i veicoli completamente elettrici o i nascenti veicoli a celle a combustibile, i motori a magneti permanenti sono componenti fondamentali essenziali. I magneti permanenti a terre rare costituiscono circa il 60% delle applicazioni delle terre rare nel settore NEV.

"Magnete permanente" significa letteralmente mantenere un campo magnetico duraturo e stabile. Il mantenimento di questo fenomeno richiede l'elemento delle terre rare "neodimio". L'aggiunta di "ferro" e "boro" al "neodimio" crea un campo magnetico potente e sempre attivo: il neodimio ferro boro (NdFeB).

I magneti NdFeB forniscono una forte forza magnetica, consentendo ai motori di erogare una maggiore coppia e potenza in un volume più piccolo. Ciò significa che i veicoli elettrici possono accelerare alla stessa velocità più velocemente, migliorando anche l'efficienza energetica complessiva del veicolo, migliorando significativamente le prestazioni di guida.

In secondo luogo, i motori ad alta efficienza realizzati con magneti NdFeB consentono ai veicoli elettrici di ottenere un maggiore utilizzo di energia dalla stessa capacità della batteria. Ciò significa che i veicoli possono utilizzare in modo più efficace l'energia immagazzinata nelle batterie, estendendo così l'autonomia di guida. Per i consumatori, ciò riduce l'ansia da autonomia, facilitando l'adozione più ampia dei NEV.

Inoltre, rispetto ai tradizionali veicoli con motore a combustione interna, i veicoli elettrici pongono maggiore enfasi sull'alleggerimento del veicolo. I magneti NdFeB possiedono forti proprietà magnetiche, consentendo loro di erogare la stessa potenza in uscita con volume e peso inferiori.

Simultaneamente, all'interno dei motori a magneti permanenti, l'NdFeB è uno dei materiali a magneti permanenti più comunemente utilizzati. Tipicamente, piccole quantità di gallio ed elementi pesanti delle terre rare come disprosio, praseodimio e terbio vengono anche miscelati per garantire la resistenza al calore del motore a magneti permanenti. Tuttavia, gli elementi pesanti delle terre rare sono più scarsi nelle riserve di minerale e più costosi. Attualmente, alcune aziende si stanno orientando verso l'utilizzo di terre rare più leggere e la riduzione dell'uso di terre rare pesanti.

Gli elementi delle terre rare non solo partecipano alla preparazione degli attuali materiali per elettrodi per batterie al litio, ma fungono anche da eccellenti materie prime per la preparazione di elettrodi positivi nelle batterie al piombo-acido o al nichel-metallo idruro (NiMH).

1. Batterie al nichel-metallo idruro (NiMH)
   Per i veicoli ibridi, la selezione di batterie NiMH di tipo energetico e dei relativi sistemi di gestione offre vantaggi come elevate caratteristiche di potenza, durata, affidabilità e un ampio margine di sicurezza. Attualmente, la maggior parte delle batterie NiMH di tipo energetico disponibili in commercio utilizza una lega di accumulo di idrogeno a terre rare di tipo AB5 come materiale dell'elettrodo negativo. L'utilizzo di polvere di lega di accumulo di idrogeno a terre rare come materiale dell'elettrodo negativo offre vantaggi come alta capacità, nessun inquinamento ambientale e lunga durata del ciclo, ricoprendo una posizione importante nello sviluppo delle batterie. Attualmente, l'85% degli HEV globali utilizza batterie NiMH. Nel prossimo futuro, le batterie di alimentazione NiMH rimarranno la scelta preferita per gli HEV e i materiali dell'elettrodo negativo di accumulo di idrogeno utilizzati possono soddisfare pienamente i requisiti delle batterie NiMH HEV.
2. Batterie agli ioni di litio
   L'aggiunta di elementi delle terre rare fornisce una maggiore stabilità strutturale per i materiali ed espande i canali tridimensionali per la migrazione attiva degli ioni litio. Ciò conferisce alle batterie agli ioni di litio preparate una maggiore stabilità di carica, reversibilità del ciclo elettrochimico e una maggiore durata del ciclo.
3. Batterie al piombo-acido
   La ricerca nazionale indica che l'aggiunta di terre rare è vantaggiosa per migliorare la resistenza alla trazione, la durezza, la resistenza alla corrosione e il sovrapotenziale di evoluzione dell'ossigeno della lega a base di piombo nelle piastre degli elettrodi. L'aggiunta di terre rare al materiale attivo può ridurre l'evoluzione dell'ossigeno dall'elettrodo positivo e aumentare il tasso di utilizzo del materiale attivo positivo, migliorando così le prestazioni e la durata della batteria.

È risaputo che non tutti i NEV raggiungono le emissioni zero. Ad esempio, i veicoli elettrici ibridi e a autonomia estesa emettono ancora gas di scarico durante il funzionamento. Alcuni veicoli sono obbligati a installare convertitori catalitici a tre vie (TWC) al momento della produzione, che utilizzano catalizzatori integrati per reagire e convertire i gas nocivi in innocui. Il costituente principale dei TWC sono precisamente gli elementi delle terre rare. Grazie alla loro struttura elettronica unica, le terre rare possiedono un'esclusiva capacità di accumulo di ossigeno. Ad esempio, il cerio in CeO₂ può cambiare il suo stato di ossidazione, offrendo eccellenti capacità di accumulo e rilascio di ossigeno. Può immagazzinare/rilasciare ossigeno in condizioni di carburante magro/ricco, migliorando così l'efficienza di conversione del catalizzatore per CO, HC e NOx.

Gli elementi delle terre rare sono anche chiamati le "vitamine" delle ceramiche speciali perché vengono spesso utilizzati come additivi nei materiali ceramici per migliorarne le prestazioni. Ad esempio, il componente principale di un sensore di ossigeno allo zirconio è un film di zirconio, tipicamente formato drogando lo zirconio con elementi delle terre rare. Quando esposto all'ossigeno, la conduttività del film di zirconio cambia, controllando così l'efficienza della combustione del motore e i livelli di emissione.

Le terre rare sono importanti componenti di drogaggio nelle polveri dielettriche MLCC, migliorando efficacemente l'affidabilità degli MLCC. Sono materie prime indispensabili nello sviluppo di polveri ceramiche per MLCC di fascia alta. Ad esempio, gli ossidi delle terre rare come Y₂O₃ e La₂O₃ vengono utilizzati come additivi negli MLCC per migliorare le proprietà dielettriche delle ceramiche e aumentare la densità dei condensatori e l'intervallo di frequenza operativa. In secondo luogo, la formazione di un sottile strato di ossido di terre rare tra la ceramica e l'elettrodo può migliorare la forza di adesione e la stabilità dell'interfaccia, riducendo i tassi di guasto dei condensatori e la corrente di dispersione. Inoltre, gli ossidi delle terre rare hanno alti punti di fusione e stabilità termica, che possono ridurre la perdita dielettrica in ambienti ad alta temperatura e migliorare l'affidabilità e la durata degli MLCC.

I cuscinetti ceramici al nitruro di silicio (Si₃N₄) sono considerati il materiale migliore per la produzione di cuscinetti automobilistici grazie a vantaggi come leggerezza, elevata durezza, elevata resistenza, basso attrito, elevata resistenza al calore, eccellente isolamento elettrico e lunga durata. Tuttavia, il nitruro di silicio puro è difficile da sinterizzare. L'introduzione di coadiuvanti di sinterizzazione a ossido di terre rare può formare fasi intergranulari complesse ossido/nitruro all'interno della struttura ceramica, conferendo ai materiali al nitruro di silicio buone prestazioni ad alte temperature.

Inoltre, le terre rare svolgono un ruolo significativo nell'acciaio per carrozzeria automobilistica, negli ingranaggi, nei mozzi delle ruote e persino nelle viti. Anche l'industria della produzione di pneumatici richiede materiali polimerici a terre rare come stabilizzatori. Si può dire che nel settore automobilistico, le terre rare, sebbene utilizzate in piccole quantità, sono indispensabili!

Il 1° marzo, Tesla ha tenuto il suo Investor Day 2023 e ha annunciato che i suoi motori di nuova generazione avrebbero completamente eliminato l'uso delle terre rare. Questa notizia ha attirato notevole attenzione e scetticismo.

È importante notare che nel 2020, il 77% dei veicoli elettrici globali utilizzava motori a magneti permanenti a base di terre rare. Nel mercato cinese dei NEV, oltre il 90% dei veicoli elettrici utilizza motori a magneti permanenti a terre rare.

Da una prospettiva di risorse: Secondo i dati USGS a partire dal 2021, utilizzando le riserve di ossido di terre rare (REO) come metrica statistica, le riserve globali totali di risorse di terre rare sono di circa 120 milioni di tonnellate. Sono distribuiti principalmente in Cina, Vietnam, Brasile, Russia e altri paesi. Le riserve combinate di questi quattro paesi rappresentano l'86,4% del totale globale, con la Cina che detiene 44 milioni di tonnellate e Vietnam, Brasile e Russia che detengono ciascuno oltre 20 milioni di tonnellate.

Attualmente, la Cina rappresenta il 35,2% delle riserve globali, il 58% della produzione mineraria globale e il 65% del consumo globale, classificandosi al primo posto a livello globale in tutti e tre gli aspetti. È il più grande produttore, esportatore e consumatore del mondo, detenendo una posizione dominante.

Un dirigente di Zhongke Sanhuan ha precedentemente affermato che, in media, ogni NEV utilizza attualmente circa 2,5 chilogrammi di materiale a magneti permanenti NdFeB. Sulla base di ciò, la domanda globale di materiali magnetici a terre rare per NEV dovrebbe raggiungere le 30.000 tonnellate entro il 2025.

Simultaneamente, la Cina sta rafforzando il suo controllo sulle terre rare. Nel 2021, il Ministero dell'Industria e della Tecnologia dell'Informazione e il Ministero delle Risorse Naturali hanno emesso l'"Avviso sull'emissione degli indicatori di controllo totale per l'estrazione mineraria e la separazione della fusione delle terre rare del 2021". Gli indicatori di controllo totale per l'estrazione mineraria e la separazione della fusione delle terre rare nel 2021 sono stati rispettivamente di 168.000 tonnellate e 162.000 tonnellate, con un aumento di circa il 20% rispetto al 2020. Una precedente bozza di parere affermava esplicitamente che nessuna unità o individuo può investire o costruire progetti di estrazione mineraria o separazione della fusione di terre rare senza approvazione, stabilendo un tono generale per la futura estrazione mineraria e separazione delle terre rare nazionali: continua attuazione del controllo totale delle quote.

Nello stesso anno, il "Rapporto di revisione della catena di approvvigionamento di 100 giorni" della Casa Bianca degli Stati Uniti ha evidenziato che la dipendenza degli Stati Uniti dalle importazioni di magneti a terre rare all'interno della catena industriale delle terre rare rappresenta una minaccia per la sicurezza nazionale. In risposta, un rapporto del Dipartimento del Commercio degli Stati Uniti ha raccomandato di aumentare il sostegno ai produttori nazionali di magneti permanenti attraverso crediti d'imposta, sussidi, approvvigionamento prioritario e accantonamento della difesa, promuovendo vigorosamente i processi per ridurre/eliminare le terre rare nei materiali a magneti permanenti e "de-sinizzare" la catena industriale dei magneti permanenti.

Secondo Nikkei, gli Stati Uniti stanno ricostruendo la loro rete di approvvigionamento di magneti a terre rare. Per ridurre la dipendenza dalla Cina nei materiali strategici, alcuni processi di produzione in cui la Cina detiene un'elevata quota saranno trasferiti nella terraferma degli Stati Uniti e le aziende statunitensi che ricevono il sostegno del governo stanno accelerando gli investimenti. Tuttavia, ricostruire una rete di approvvigionamento a lungo dipendente dalla Cina non è un compito facile. Gli Stati Uniti, con i loro maggiori costi di approvvigionamento e logistica delle materie prime, non hanno un vantaggio competitivo. L'analisi di Bloomberg suggerisce che ci vorrebbe agli Stati Uniti almeno un decennio per raggiungere l'autosufficienza nella loro catena di approvvigionamento di terre rare.

Insieme a fattori come l'aumento dei prezzi delle terre rare, non sorprende che le case automobilistiche giapponesi, europee e americane stiano cercando alternative e iniziando a ricercare e sviluppare motori senza terre rare.

Da una prospettiva di prestazioni: Quando la Tesla Model S è stata lanciata nel 2012, era equipaggiata con un motore a induzione. Sebbene i motori a induzione presentino alcuni vantaggi in termini di costi, presentano anche svantaggi come le grandi dimensioni e la minore efficienza, che influiscono sull'autonomia.

Per i NEV, l'autonomia di guida è un fattore competitivo chiave. Il peso maggiore e la minore efficienza di conversione dei motori a induzione portano a una riduzione dell'autonomia del veicolo. Questo è un motivo importante per cui molte case automobilistiche optano per motori a magneti permanenti.

Vale la pena notare che Tesla è passata a un motore CC a magneti permanenti a partire dalla Model 3 e alla fine ha adottato questo motore anche in altri modelli. I dati mostrano che il motore a magneti permanenti utilizzato nella Model 3 è circa il 6% più efficiente rispetto al motore a induzione precedentemente utilizzato.

Da una prospettiva materiale: Per quanto riguarda il "de-rare-earthing", il materiale alternativo più importante attualmente è la "ferrite". Questa ceramica composta da ferro e ossigeno, miscelata con piccole quantità di metallo, può produrre magneti. È economico e facile da produrre.

Tuttavia, la ferrite è sempre stata un sostituto di fascia bassa per le terre rare NdFeB. Le sue prestazioni, il volume e altri aspetti sono difficili da eguagliare ai livelli NdFeB. Può essere utilizzato in alcuni micromotori nei veicoli. Per quanto riguarda i magneti permanenti al samario-cobalto (SmCo), essi stessi contengono l'elemento delle terre rare samario e sono radioattivi. Attualmente vengono utilizzati solo in ambito militare, aerospaziale e simili. Sostituirli nei NEV sarebbe controproducente.

Attualmente, diversi produttori hanno iniziato a ricercare opzioni senza terre rare. Tuttavia, che si tratti dei magneti azoto-ferro di Niron o di un altro materiale ad alta forza magnetica contenente manganese, nessuno dei due può essere prodotto e conservato a lungo termine in una forma ideale. Anche i magneti prototipo manganese-bismuto (Mn-Bi) precedentemente segnalati, prodotti con successo da DA Technology e Koreen, sono attualmente in fase di verifica delle prestazioni e di miglioramento.

Chiaramente, considerando la ricerca di costi bassi ed elevata efficienza da parte dell'industria dei NEV, insieme alle sfide tecniche irrisolte, liberarsi completamente dalle risorse di terre rare non è impossibile, ma è irraggiungibile a breve termine. Per lo meno, in Cina, i motori a terre rare rimarranno la direzione principale per le applicazioni dei veicoli nel prossimo futuro.