"بدون زمین نادر، بدون ماشین"؟

در سال های اخیر، بازار پر رونق خودروهای انرژی جدید (NEV) باعث رشد کل زنجیره صنعتی شده است و فرصت های توسعه بی سابقه ای را برای مواد انرژی جدید مرتبط،برنامه های جدید، و بازارهای جدید به عنوان یک کلاس مهم از منابع معدنی استراتژیک، عناصر نادر زمین موقعیت مهمی در صنعت NEV دارند.

زمین های نادر به مجموعه ای از عناصر، از جمله یتریوم، اسکندیوم و 17 عنصر لانتانید اشاره می کنند. این عناصر نقش حیاتی در صنعت مدرن دارند و به عنوان "MSG صنعتی،قادر به بهبود کیفیت مواد یا عملکرد در بخش هایی مانند الکترونیک و فناوری اطلاعات، پتروشیمی، فلزات سازی و انرژی.

در برنامه های کاربردی NEV، زمین های نادر عمدتاً در موتورهای محرک، بلندگوها و درایوهای هارد دیسک وسایل نقلیه الکتریکی استفاده می شوند.تقاضای چین برای زمین های نادر به سرعت در حال افزایش است در کنار توسعه سریع صنعت NEVداده ها نشان می دهد که NEV ها و صنعت الکترونیک بیشترین سهم مصرف جهانی زمین های نادر را دارند و به 35 درصد می رسد. مواد نادر زمین در برنامه های NEV ضروری هستند.

در نظر گرفتن مصرف زمین های نادر در بخش NEV، عمدتا شامل مواد آهنربای دائمی زمین های نادر و مواد ذخیره هیدروژن زمین های نادر است که به ترتیب 64٪ و 36٪ را تشکیل می دهد.در صنعت NEV، چه برای خودروهای هیبریدی، خالص الکتریکی، و چه برای خودروهای نوظهور سلول سوخت، موتورهای مغناطیس دائمی اجزای اصلی ضروری هستند.مقناطیس های دائمی زمین های نادر تقریباً 60٪ از کاربردهای زمین های نادر را در بخش NEV تشکیل می دهند.

"مقناطیس دائمی" به معنای واقعی کلمه حفظ یک میدان مغناطیسی پایدار و پایدار است. حفظ این پدیده نیاز به عنصر نادر زمین "نیودیمیوم" دارد.اضافه کردن آهن و بور به نئودیمیوم باعث ایجاد یک میدان مغناطیسی قدرتمند و همیشه فعال می شود.

آهنرباهای NdFeB نیروی مغناطیسی قوی را فراهم می کنند و موتورها را قادر می سازند که در حجم کوچکتر گشتاور و قدرت بیشتری تولید کنند.این به این معنی است که EV ها می توانند به همان سرعت سریعتر شتاب دهند و در عین حال بهره وری انرژی کل خودرو را بهبود بخشند.، به طور قابل توجهی عملکرد رانندگی را بهبود می بخشد.

دوم، موتورهای بسیار کارآمد ساخته شده با مغناطیس NdFeB به EV ها اجازه می دهد تا از همان ظرفیت باتری استفاده انرژی بیشتری را به دست آورند.این به این معنی است که وسایل نقلیه می توانند از انرژی ذخیره شده در باتری ها به طور موثر استفاده کنندبرای مصرف کنندگان، این باعث کاهش اضطراب در محدوده می شود و پذیرش گسترده تر NEV را تسهیل می کند.

علاوه بر این، در مقایسه با وسایل نقلیه سنتی با موتور احتراق داخلی، EV ها بر سبک بودن وسایل نقلیه تاکید بیشتری دارند.که به آنها اجازه می دهد تا همان قدرت خروجی را با حجم و وزن کوچکتر ارائه دهند.

در عین حال، در موتورهای مغناطیس دائمی، NdFeB یکی از رایج ترین مواد مغناطیس دائمی است. به طور معمول مقادیر کمی گالیوم و عناصر سنگینی زمین های نادر مانند دیسپروسیوم،پروزیودیمیومهمچنین برای اطمینان از مقاومت گرما موتور آهنربای دائمی ، تربیوم نیز مخلوط می شود. با این حال ، عناصر سنگینی زمین های نادر در ذخایر معدن کمیاب تر و گران تر هستند. در حال حاضر ،برخی از شرکت ها در حال تغییر جهت استفاده از زمین های نادر سبک و کاهش استفاده از زمین های نادر سنگین هستند..

Rare earth elements not only participate in the preparation of current mainstream lithium battery electrode materials but also serve as excellent raw materials for preparing positive electrodes in lead-acid or nickel-metal hydride (NiMH) batteries.

1. باتری های نیکل متال هیدرید (NiMH)
   برای وسایل نقلیه هیبریدی، انتخاب باتری های NiMH نوع قدرت و سیستم های مدیریت آنها مزایای مانند ویژگی های قدرت بالا، دوام، قابلیت اطمینان و حاشیه ایمنی بزرگ را ارائه می دهد.اکثر باتری های NiMH با نوع قدرت موجود در بازار از آلیاژ ذخیره سازی هیدروژن نوع AB5 از زمین های نادر به عنوان ماده الکترود منفی استفاده می کنند.استفاده از پودر آلیاژ ذخیره هیدروژن زمین های نادر به عنوان ماده الکترود منفی مزایای مانند ظرفیت بالا، آلودگی محیط زیست و عمر چرخه طولانی را ارائه می دهد.داشتن موقعیت مهمی در توسعه باتریدر حال حاضر، 85٪ از HEV های جهانی از باتری های NiMH استفاده می کنند. در آینده قابل پیش بینی، باتری های قدرت NiMH انتخاب مورد نظر برای HEV ها خواهند بود.و مواد الکترود منفی ذخیره هیدروژن استفاده شده می تواند به طور کامل نیازهای باتری های NiMH HEV را برآورده کند.
2. باتری های لیتیوم یون
   اضافه کردن عناصر زمین های نادر ثبات ساختاری بیشتری برای مواد فراهم می کند و کانال های سه بعدی برای مهاجرت فعال لیتیوم یون را گسترش می دهد.این باتری های لیتیوم یون آماده شده را با ثبات شارژ بالاتر فراهم می کند، برگشت پذیری چرخه الکتروشیمی و عمر چرخه طولانی تر.
3. باتری های اسید سرب
   تحقیقات داخلی نشان می دهد که اضافه کردن زمین های نادر برای بهبود قدرت کششی، سختی، مقاومت در برابر خوردگی،و ارتقاء اکسیژن بیش از حد بالقوه از آلیاژ مبتنی بر سرب در صفحات الکتروداضافه کردن زمین های نادر به ماده فعال می تواند تکامل اکسیژن از الکترود مثبت را کاهش دهد و نرخ استفاده از ماده فعال مثبت را افزایش دهد.در نتیجه بهبود عملکرد باتری و طول عمر.

این به خوبی شناخته شده است که همه NEV ها به انتشار صفر نمی رسند. به عنوان مثال، خودروهای هیبریدی و الکتریکی با برد طولانی هنوز هم در طول کار گازهای خروجی را منتشر می کنند.برخی از وسایل نقلیه مجبور به نصب تبدیل کننده های کاتالیتیک سه طرفه (TWC) در هنگام تولید هستند.، که از کاتالیزورهای ساخته شده برای واکنش و تبدیل گاز های مضر به غیر مضر استفاده می کنند. مؤلفه اصلی TWC ها دقیقاً عناصر نادر زمین هستند. به دلیل ساختار الکترونی منحصر به فرد آنها،زمین های نادر دارای ظرفیت مخصوص ذخیره اکسیژن هستند.به عنوان مثال، سیریم در CeO2 می تواند حالت اکسیداسیون خود را تغییر دهد و قابلیت ذخیره و انتشار اکسیژن عالی را ارائه دهد.بنابراین بهبود بهره وری تبدیل کاتالیزور برای COHC و NOx.

عناصر نادر زمین همچنین به عنوان "ویتامین های سرامیک های ویژه" نامیده می شوند زیرا اغلب به عنوان افزودنی در مواد سرامیکی برای افزایش عملکرد استفاده می شوند.جزء اصلی یک سنسور اکسیژن زرکونی یک فیلم زرکونی است.، که معمولاً با استفاده از ارگانیسم زیرکونیا با عناصر نادر زمین تشکیل می شود.بنابراین کنترل بهره وری احتراق موتور و سطوح انتشار.

زمین های نادر اجزای مهم دوپینگ در پودرهای دی الکتریک MLCC هستند که به طور موثر قابلیت اطمینان MLCC را بهبود می بخشند. آنها مواد خام ضروری در توسعه پودرهای سرامیکی برای MLCC های پیشرفته هستند.برای مثال، اکسید های زمین های نادر مانند Y2O3 و La2O3 به عنوان افزودنی در MLCC ها برای بهبود خواص دی الکتریک سرامیک و افزایش تراکم خازن و محدوده فرکانس عملیاتی استفاده می شوند.تشکیل یک لایه نازک از اکسید زمین های نادر بین سرامیک و الکترود می تواند نیروی اتصال و ثبات رابط را افزایش دهد، کاهش نرخ شکست خازن و جریان نشت. علاوه بر این، اکسید های زمین های نادر دارای نقاط ذوب و ثبات حرارتی بالا هستند.که می تواند از دست دادن دی الکتریک در محیط های با دمای بالا را کاهش دهد و قابلیت اطمینان و عمر MLCC را بهبود بخشد.

اسکناس های سرامیکی نیترید سیلیکون (Si3N4) به دلیل مزایایی مانند سبک وزن، سختی بالا، قدرت بالا، اصطکاک کم،مقاومت گرمای بالا، عایق الکتریکی عالی و عمر طولانی. با این حال، نیترید سیلیکون خالص سخت است که سینتر شود.معرفی مواد کمکی برای سینتر کردن اکسید زمین های نادر می تواند فاز های بین دانه ای اکسید/نیترید پیچیده ای را در ساختار سرامیکی تشکیل دهد، به مواد نیترید سیلیکون عملکرد خوبی در دمای بالا می دهد.

علاوه بر این، زمین های نادر نقش مهمی در فولاد بدن خودرو، دنده ها، محور چرخ و حتی پیچ ها دارند.حتی صنعت تولید لاستیک به مواد پلیمر زمین های نادر به عنوان ثبات دهنده نیاز داردمی توان گفت که در زمینه خودرو، زمین های نادر، اگرچه در مقادیر کمی استفاده می شوند، ضروری هستند!

در اول مارس، تسلا روز سرمایه گذار 2023 خود را برگزار کرد و اعلام کرد که موتورهای نسل بعدی آن استفاده از زمین های نادر را به طور کامل از بین می برد.این خبر توجه و تردید زیادی را به خود جلب کرد.

لازم به ذکر است که در سال 2020، 77٪ از وسایل نقلیه الکتریکی جهانی از موتورهای آهنربای دائمی مبتنی بر زمین های نادر استفاده می کردند. در بازار NEV چین، بیش از 90٪ از EV ها از موتورهای آهنربای دائمی زمین های نادر استفاده می کنند.

از منظر منابع:با توجه به داده های USGS در سال 2021 ، با استفاده از ذخایر اکسید زمین نادر (REO) به عنوان معیار آماری ، کل ذخایر جهانی منابع زمین نادر حدود 120 میلیون تن است.آنها عمدتا در چین توزیع می شوند.ذخایر این چهار کشور در مجموع ۸۶.۴ درصد از کل جهانی را تشکیل می دهند که چین ۴۴ میلیون تن و ویتنام، برزیل،و روسیه هرکدام بیش از 20 میلیون تن.

در حال حاضر، چین 35.2 درصد از ذخایر جهانی، 58 درصد از تولید معدن جهانی و 65 درصد از مصرف جهانی را در اختیار دارد.صادر کننده، و مصرف کننده، دارای موقعیت مسلط.

یک مدیر اجرایی از Zhongke Sanhuan قبلاً اعلام کرده بود که به طور متوسط، هر NEV در حال حاضر حدود 2.5 کیلوگرم مواد مغناطیس دائمی NdFeB را استفاده می کند. بر اساس این،انتظار می رود تقاضای جهانی NEV برای مواد مغناطیسی زمین های نادر به 30 برسد،000 تن تا سال 2025

در عین حال، چین کنترل خود را بر روی زمین های نادر تشدید می کند.وزارت صنایع و فناوری اطلاعات و وزارت منابع طبیعی "اطلاعات مربوط به انتشار شاخص های کنترل کل 2021 برای استخراج و ذوب زمین های نادر" را صادر کردند.." کل شاخص های کنترل برای استخراج و جدایی ذوب زمین های نادر در سال 2021 به ترتیب 168،000 تن و 162،000 تن بود که تقریباً 20٪ در مقایسه با سال 2020 افزایش یافته است.یک طرح قبلی نظر به طور صریح اعلام کرد که هیچ واحد یا فرد نمی تواند بدون مجوز در پروژه های استخراج یا جدایی سنگ های نادر زمین سرمایه گذاری یا ساخت کند.، ایجاد یک لحن کلی برای ماینینگ و جداسازی زمین های نادر داخلی آینده: ادامه اجرای کنترل کل سهمیه.

در همان سال، کاخ سفید ایالات متحده "برنامه بررسی زنجیره تامین 100 روزه" نشان داد که ایالات متحدهوابستگی به واردات آهنربای زمین های نادر در زنجیره صنعتی زمین های نادر تهدیدی برای امنیت ملی استدر پاسخ، یک گزارش وزارت بازرگانی ایالات متحده توصیه می کند که حمایت بیشتری از تولید کنندگان مقناطیس دائمی داخلی ایالات متحده از طریق اعتبارات مالیاتی، یارانه ها، خرید اولویت،و انبار دفاعی، به شدت ترویج فرآیندهایی برای کاهش / حذف زمین های نادر در مواد مغناطیس دائمی و "De-Sinicize" زنجیره صنعتی مغناطیس دائمی.

بر اساسنیکیبراي کاهش وابستگي به چين در مواد استراتژيک،برخی از فرآیندهای تولید که در آن چین سهم بالایی دارد به ایالات متحده منتقل می شود..آمریکا و شرکت های ایالات متحده که از حمایت دولت برخوردارند، سرمایه گذاری را تسریع می کنند. با این حال، بازسازی یک شبکه تامین که مدتهاست وابسته به چین است، کار آسانی نیست.با افزایش هزینه های تامین مواد اولیه و لجستیکتحلیل بلومبرگ نشان می دهد که حداقل یک دهه طول می کشد تا ایالات متحده به خودکفایی در زنجیره تامین زمین های نادر خود برسد.

در کنار عواملی مانند افزایش قیمت زمین های نادر، جای تعجب نیست که ژاپنی ها، اروپایی ها،و سازندگان اتومبیل آمریکایی در جستجوی جایگزین هستند و شروع به تحقیق و توسعه موتورهای بدون زمین های نادر می کنند.

از منظر عملکرد:وقتی مدل اس تسلا در سال ۲۰۱۲ عرضه شد، مجهز به یک موتور استندکشن بود. در حالی که موتورهای استندکشن مزایای هزینه خاصی دارند، آنها همچنین معایب مانند اندازه بزرگ و بهره وری پایین تری دارند.که بر دامنه تاثیر می گذارند.

برای موتورهای نوین، برد یک عامل رقابتی کلیدی است. وزن سنگین تر و بهره وری تبدیل پایین تر موتورهای القایی منجر به کاهش برد خودرو می شود.این دلیل اصلی است که چرا بسیاری از تولید کنندگان خودرو موتورهای مغناطیس دائمی را انتخاب می کنند.

لازم به ذکر است که تسلا با شروع مدل ۳ به موتورهای DC دارای مغناطیس دائمی تغییر کرد و در نهایت این موتور را در مدل های دیگر نیز به کار گرفت.داده ها نشان می دهد که موتور مغناطیس دائمی مورد استفاده در مدل 3 حدود 6٪ کارآمدتر از موتور استفراغ استفاده شده در گذشته است.

از منظر مادي:در رابطه با "آلهای نادر"، برجسته ترین ماده جایگزین در حال حاضر "فرایت" است. این سرامیک متشکل از آهن و اکسیژن، مخلوط با مقادیر کمی فلز، می تواند آهنربا تولید کند.ارزان و ساختش آسان است.

با این حال، فرایت همیشه جایگزین پایین زمین نادر NdFeB بوده است. عملکرد، حجم و سایر جنبه های آن دشوار است تا با سطوح NdFeB مطابقت داشته باشد.می تواند در برخی از موتورهای میکرو در وسایل نقلیه استفاده شوددر مورد آهنرباهای دائمی ساماریوم کوبالت (SmCo) ، خود آنها حاوی عنصر نادر زمین ساماریوم هستند و رادیواکتیو هستند. آنها در حال حاضر فقط در زمینه های نظامی، هوافضا و مشابه استفاده می شوند..جایگزین کردن آنها در NEV ها غیرمنفعه خواهد بود.

در حال حاضر، چندین تولید کننده شروع به تحقیق در مورد گزینه های بدون زمین های نادر کرده اند.این که آیا این مغناطیس های آهن نیتروژن Niron است یا ماده ای با قدرت مغناطیسی بالا که حاوی منگنز است، هیچکدام نمیتوانند در شکل ایده آل تولید و نگهداری شوند.حتی نمونه اولیه ی مگنت های منگنیز بیسموت (Mn-Bi) که قبلاً توسط DA Technology و Koreen تولید شده اند، در حال حاضر فقط در حال بررسی عملکرد و بهبود هستند..

واضح است که با توجه به تلاش صنعت NEV برای کم هزینه و کارایی بالا، همراه با چالش های فنی حل نشده، کاملاً از منابع زمین های نادر جدا شدن غیرممکن نیست,اما در کوتاه مدت غیرممکن است. حداقل در چین، موتورهای زمین های نادر در آینده قابل پیش بینی جهت اصلی کاربردهای خودرو خواهند بود.