"Bez metali ziem rzadkich nie ma samochodów"?

W ostatnich latach rozwijający się rynek pojazdów nowych źródeł energii (NEV) przyczynił się do rozwoju całego łańcucha przemysłowego, przynosząc bezprecedensowe możliwości rozwoju powiązanych nowych materiałów energetycznych,nowe aplikacjeJako ważna klasa strategicznych zasobów mineralnych pierwiastki ziem rzadkich zajmują znaczące miejsce w przemyśle NEV.

Rzadkie ziemie odnoszą się do szeregu pierwiastków, w tym yttrium, skandium i 17 elementów lantanowych."zdolne do poprawy jakości lub wydajności materiału w sektorach takich jak elektronika i technologie informacyjne, petrochemicznej, metalurgicznej i energetycznej.

W zastosowaniach NEV, ziemie rzadkie są wykorzystywane głównie w silnikach napędowych, głośnikach i dyskach twardych pojazdów elektrycznych.W Chinach popyt na ziemie rzadkie gwałtownie rośnie wraz z szybkim rozwojem przemysłu NEVDane pokazują, że NEV i przemysł elektroniczny stanowią największy udział w globalnym zużyciu rzadkich ziem, osiągając 35%.

W odniesieniu do zużycia ziem rzadkich w sektorze NEV dotyczy to głównie materiałów z ziem rzadkich z działaniem magnetów stałych oraz materiałów z działaniem ziem rzadkich z działaniem magazynowania wodoru, stanowiących odpowiednio 64% i 36%.W przemyśle NEV, czy to w przypadku pojazdów hybrydowych, czysto elektrycznych, czy w przypadku pojazdów z ogniwami paliwowymi, silniki z magnetami stałymi są niezbędnymi elementami podstawowymi.Magnesy trwałe ziem rzadkich stanowią około 60% zastosowań ziem rzadkich w sektorze NEV.

"Permanent magnet" dosłownie oznacza utrzymanie trwałego i stabilnego pola magnetycznego." Dodawanie "żelaza" i "bora" do "neodymu" tworzy silne i zawsze działające pole magnetyczne".

Magnesy NdFeB zapewniają silną siłę magnetyczną, umożliwiając silnikom dostarczanie większego momentu obrotowego i mocy w mniejszej objętości.Oznacza to, że pojazdy elektryczne mogą przyspieszyć do tej samej prędkości szybciej, jednocześnie poprawiając ogólną efektywność energetyczną pojazdu., znacząco poprawiając wydajność jazdy.

Po drugie, wysoce wydajne silniki wykonane z magnesów NdFeB pozwalają pojazdom elektrycznym osiągnąć wyższe zużycie energii z tej samej pojemności baterii.Oznacza to, że pojazdy mogą skuteczniej wykorzystywać energię zapisaną w bateriachDla konsumentów zmniejsza to obawy związane z zasięgiem, ułatwiając szersze wykorzystanie NEV.

Ponadto w porównaniu z tradycyjnymi pojazdami z silnikami spalinowymi pojazdy elektryczne kładzie większy nacisk na lekkość pojazdu.umożliwiając im dostarczanie tej samej mocy wyjściowej przy mniejszej objętości i masie.

Jednocześnie, w silnikach magnetów stałych, NdFeB jest jednym z najczęściej stosowanych materiałów magnetów stałych.praseodymiumW tym celu wykorzystywane są również pierwiastki ziem rzadkich o wysokiej odporności na ciepło.Niektóre firmy przechodzą w kierunku wykorzystania większej ilości lekkich ziem rzadkich i zmniejszają wykorzystanie ciężkich ziem rzadkich..

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. Akumulatory z hydrydu niklu-metalu (NiMH)
   W przypadku pojazdów hybrydowych wybór akumulatorów NiMH typu silnikowego i ich systemów zarządzania oferuje takie zalety, jak wysokie właściwości mocy, trwałość, niezawodność i duży margines bezpieczeństwa.Większość dostępnych w handlu akumulatorów NiMH typu energetycznego wykorzystuje jako materiał elektrody ujemnej stop wodorowy typu AB5Wykorzystanie proszku ze stopu wodoru ziem rzadkich jako materiału elektrody ujemnej oferuje korzyści takie jak wysoka wydajność, brak zanieczyszczenia środowiska i długi cykl życia.zajmujący ważne miejsce w rozwoju bateriiObecnie 85% światowych HEV używa baterii NiMH. W przewidywalnej przyszłości baterie zasilania NiMH pozostaną preferowanym wyborem dla HEV.i wykorzystane materiały elektrody ujemnej do magazynowania wodoru mogą w pełni spełniać wymagania baterii HEV NiMH.
2. Baterie litowo-jonowe
   Dodanie rzadkich pierwiastków ziemnych zapewnia większą stabilność strukturalną materiałów i rozszerza trójwymiarowe kanały aktywnej migracji jonów litu.Dzięki temu gotowe baterie litowo-jonowe mają większą stabilność ładowania, odwracalność cyklu elektrochemicznego i dłuższy okres cyklu.
3. Akumulatory ołowiano-kwasowe
   Badania krajowe wskazują, że dodanie ziem rzadkich jest korzystne w celu poprawy wytrzymałości na rozciąganie, twardości, odporności na korozję,i nadpotencjał ewolucji tlenu stopu ołowiowego w płytkach elektrodowychDodanie rzadkich ziem do materiału aktywnego może zmniejszyć ewolucję tlenu z elektrody dodatniej i zwiększyć współczynnik wykorzystania dodatniego materiału aktywnego.tym samym poprawa wydajności baterii i jej żywotności.

Na przykład hybrydowe i elektryczne pojazdy o dużym zasięgu nadal emitują spalinę podczas pracy.Niektóre pojazdy są zobowiązane do zainstalowania trójstronnych katalizatorów (TWC) przy produkcjiWykorzystują one wbudowane katalizatory do reakcji i przekształcania szkodliwych gazów w nieszkodliwe.Rzadkie ziemie posiadają charakterystyczną zdolność magazynowania tlenuPrzykładowo cerium w CeO2 może zmieniać stan utleniania, oferując doskonałe możliwości magazynowania i uwalniania tlenu.w ten sposób zwiększa się wydajność konwersji katalizatora do CO, HC i NOx.

Elementy ziem rzadkich są również nazywane "witaminami" ceramiki specjalnej, ponieważ są często stosowane jako dodatki do materiałów ceramicznych w celu zwiększenia wydajności.głównym składnikiem czujnika tlenu z cyrkonu jest folia z cyrkonuWykorzystując tlen, przewodność folii z cyrkonu zmienia się.w ten sposób kontrolowanie wydajności spalania silnika i poziomu emisji.

Rzadkie ziemie są ważnymi składnikami dopingu w proszkach dielektrycznych MLCC, skutecznie poprawiając niezawodność MLCC.Na przykład:, tlenki ziem rzadkich, takie jak Y2O3 i La2O3, są stosowane jako dodatki w MLCC w celu poprawy właściwości dielektrycznych ceramiki i zwiększenia gęstości kondensatora i zakresu częstotliwości pracy.tworzenie cienkiej warstwy tlenku ziem rzadkich pomiędzy ceramiką a elektrodą może zwiększyć siłę wiązania i stabilność interfejsuPonadto tlenki ziem rzadkich mają wysokie punkty topnienia i stabilność termiczną,który może zmniejszyć straty dielektryczne w środowiskach o wysokiej temperaturze i poprawić niezawodność i żywotność MLCC.

łożyska ceramiczne z azotanu krzemu (Si3N4) są uważane za najlepszy materiał do produkcji łożysk samochodowych ze względu na takie zalety, jak lekkość, wysoka twardość, wysoka wytrzymałość, niskie tarcie,wysoka odporność na ciepłoJednakże czysty azotyn krzemu jest trudny do spiekania.Wprowadzenie środków wspomagających spiekanie tlenku ziem rzadkich może tworzyć złożone fazy międzyziarniste tlenku/nitrudu w strukturze ceramicznej, zapewniając materiałom z azotanu krzemu dobre działanie w podwyższonych temperaturach.

Ponadto rzadkie ziemie odgrywają istotną rolę w stalowych nadwoziach samochodów, biegów, węzłach kół, a nawet w śrubokrętach.Nawet przemysł opon wymaga materiałów polimerowych z rzadkich ziem jako stabilizatorówMożna powiedzieć, że w branży motoryzacyjnej ziemie rzadkie, choć używane w niewielkich ilościach, są niezbędne!

1 marca Tesla zorganizowała swój 2023 Investor Day i ogłosiła, że silniki nowej generacji całkowicie wyeliminują wykorzystanie rzadkich ziem.Ta wiadomość przyciągnęła uwagę i sceptycyzm..

Warto zauważyć, że w 2020 r. 77% światowych pojazdów elektrycznych używało silników magnetycznych na bazie rzadkich ziem.

Z perspektywy zasobów:Według danych USGS z 2021 r., wykorzystując rezerwy tlenku rzadkiej ziemi (REO) jako metrykę statystyczną, globalne całkowite rezerwy zasobów rzadkiej ziemi wynoszą około 120 milionów ton.Są głównie dystrybuowane w Chinach.W związku z tym, jak wynika z sprawozdania, w roku 2006 w Europie zaobserwowano wzrost zapasów ropy naftowej w Europie, w tym w Wietnamie, Brazylii, Rosji i innych krajach.i Rosji, które posiadają po 20 milionów ton..

Obecnie Chiny odpowiadają za 35,2% światowych rezerw, 58% światowej produkcji górniczej i 65% światowego zużycia.Eksporter, i konsument, posiadający pozycję dominującą.

Kierownik z Zhongke Sanhuan wcześniej stwierdził, że średnio każdy NEV obecnie wykorzystuje około 2,5 kg materiału magnetycznego NdFeB.globalne zapotrzebowanie na materiały magnetyczne ziem rzadkich osiągnie 30Do 2025 r.

Jednocześnie Chiny zaostrzają kontrolę nad rzadkimi ziemami.Ministerstwo Przemysłu i Technologii Informacyjnych oraz Ministerstwo Zasobów Naturalnych wydały "Powiadomienie o wydaniu w 2021 r. całkowitych wskaźników kontroli wydobycia i roztopiania rzadkich ziem." Łączne wskaźniki kontroli wydobycia rzadkich ziem i separacji smeltingu w 2021 r. wynosiły odpowiednio 168 000 ton i 162 000 ton, co stanowi wzrost o około 20% w porównaniu z 2020 r.W poprzednim projekcie opinii wyraźnie stwierdzono, że żadna jednostka lub osoba nie może inwestować lub budować projektów wydobywczych lub separacji metali rzadkich bez zatwierdzenia, ustanawiające ogólny ton dla przyszłej krajowej eksploatacji i wydobycia ziem rzadkich: kontynuacja wdrażania całkowitej kontroli kwot.

W tym samym roku Biały Dom podkreślił w swoim "100-dniowym sprawozdaniu z przeglądu łańcucha dostaw", żeZależność od importu magnesów ziem rzadkich w ramach łańcucha przemysłowego ziem rzadkich stanowi zagrożenie dla bezpieczeństwa narodowegoW odpowiedzi raport Departamentu Handlu zaleca zwiększenie wsparcia dla krajowych producentów magnesów stałych w USA poprzez ulgi podatkowe, dotacje, priorytetowe zamówienia,i składowanie broni, energicznie promując procesy ograniczania/wyeliminowania rzadkich ziem w materiałach magnetycznych stałych i "de-Sinicizacji" łańcucha przemysłu magnetów stałych.

Zgodnie zNikkeiW celu zmniejszenia uzależnienia od Chin w strategicznych materiałach,Niektóre procesy produkcyjne, w których Chiny mają duży udział, zostaną przeniesione do USA.Amerykańskie firmy, które otrzymują wsparcie rządowe, przyspieszają inwestycje.z jego wyższymi kosztami zakupu surowców i logistykiAnaliza Bloomberg sugeruje, że do osiągnięcia samowystarczalności w łańcuchu dostaw rzadkich ziem zajmie USA co najmniej dekadę.

W połączeniu z rosnącymi cenami rzadkich ziem, nie jest zaskakujące, że Japończycy, Europejczycy,i amerykańscy producenci samochodów szukają alternatyw i zaczynają badać i rozwijać silniki bez rzadkich ziem.

Z perspektywy wydajności:Kiedy Tesla Model S została wprowadzona na rynek w 2012 roku, była wyposażona w silnik indukcyjny.które wpływają na zasięg.

W przypadku NEV, zasięg jazdy jest kluczowym czynnikiem konkurencyjnym.To główny powód, dla którego wielu producentów samochodów decyduje się na silniki z magnetem stałym.

Warto zauważyć, że Tesla przełączyła się na silnik stałego magnesu DC, zaczynając od modelu 3 i ostatecznie przyjęła ten silnik w innych modelach.Dane pokazują, że silnik magnetyczny stosowany w Modelu 3 jest o około 6% bardziej wydajny niż wcześniej stosowany silnik indukcyjny.

Z materialnej perspektywy:Najpopularniejszym obecnie materiałem alternatywnym jest ferrit, który składa się z żelaza i tlenu, a następnie miesza się z niewielkimi ilościami metalu.Jest tani i łatwy w produkcji..

Jednakże feryt zawsze był niskowartościowym substytutem rzadkich ziem NdFeB. Jego wydajność, objętość i inne aspekty są trudne do dopasowania do poziomu NdFeB.Może być stosowany w niektórych mikro silnikach w pojazdachMagnesy trwałe samarium-kobalt (SmCo) zawierają samarium, rzadko występujący pierwiastek ziemny, są radioaktywne i są obecnie stosowane wyłącznie w dziedzinie wojskowej, lotniczej i podobnej..Zastąpienie ich w NEV byłoby niekorzystne.

Obecnie kilku producentów rozpoczęło badania nad opcjami pozbawionymi ziem rzadkich.czy to magnesy azotowo-żelazne firmy Niron czy inny materiał o wysokiej sile magnetycznej zawierający mangan, ani nie mogą być wytwarzane i długotrwale przechowywane w idealnej formie.Nawet prototypy magnesów mangan-bismut (Mn-Bi), o których wcześniej informowano, z powodzeniem wyprodukowane przez DA Technology i Koreen, są obecnie tylko poddawane weryfikacji wydajności i poprawie..

W związku z dążeniem przemysłu do niskich kosztów i wysokiej wydajności, w połączeniu z nierozwiązanymi wyzwaniami technicznymi, całkowite uwolnienie się od zasobów ziem rzadkich nie jest niemożliwe.,W Chinach silniki ziem rzadkich pozostaną głównym kierunkiem zastosowań pojazdów w przewidywalnej przyszłości.