"Sem terras raras, sem carro"?

Nos últimos anos, o mercado em expansão de veículos de nova energia (NEV) impulsionou toda a cadeia industrial a florescer, trazendo oportunidades de desenvolvimento sem precedentes para materiais de nova energia, novas aplicações e novos mercados relacionados. Como uma importante classe de recursos minerais estratégicos, os elementos de terras raras ocupam uma posição significativa na indústria de NEV.

Terras raras referem-se a uma série de elementos, incluindo ítrio, escândio e os 17 elementos lantanídeos. Esses elementos desempenham um papel vital na indústria moderna e são aclamados como "MSG industrial", capazes de melhorar a qualidade ou o desempenho dos materiais em setores como eletrônicos e tecnologia da informação, petroquímica, metalurgia e energia.

Em aplicações de NEV, as terras raras são usadas principalmente em motores de tração, alto-falantes e discos rígidos de veículos elétricos. Sob as metas de neutralidade de carbono, a demanda da China por terras raras está aumentando rapidamente, juntamente com o rápido desenvolvimento da indústria de NEV. Dados mostram que os NEVs e a indústria eletrônica representam a maior parte do consumo global de terras raras, atingindo 35%. Os materiais de terras raras são indispensáveis nas aplicações de NEV.

Analisando o consumo de terras raras no setor de NEV, ele envolve principalmente materiais de ímãs permanentes de terras raras e materiais de armazenamento de hidrogênio de terras raras, representando 64% e 36%, respectivamente. Na indústria de NEV, seja para veículos híbridos, totalmente elétricos ou os veículos de célula de combustível nascentes, os motores de ímãs permanentes são componentes essenciais. Os ímãs permanentes de terras raras constituem aproximadamente 60% das aplicações de terras raras no setor de NEV.

"Ímã permanente" significa literalmente manter um campo magnético duradouro e estável. Sustentar esse fenômeno requer o elemento de terra rara "neodímio". Adicionar "ferro" e "boro" ao "neodímio" cria um campo magnético poderoso e sempre ativo — neodímio ferro boro (NdFeB).

Os ímãs NdFeB fornecem uma forte força magnética, permitindo que os motores forneçam maior torque e potência em um volume menor. Isso significa que os EVs podem acelerar para a mesma velocidade mais rapidamente, além de melhorar a eficiência energética geral do veículo, aprimorando significativamente o desempenho de condução.

Em segundo lugar, motores altamente eficientes feitos com ímãs NdFeB permitem que os EVs alcancem maior utilização de energia da mesma capacidade da bateria. Isso significa que os veículos podem usar de forma mais eficaz a energia armazenada nas baterias, estendendo assim a autonomia de condução. Para os consumidores, isso reduz a ansiedade de autonomia, facilitando a adoção mais ampla de NEVs.

Além disso, em comparação com os veículos tradicionais com motor de combustão interna, os EVs dão maior ênfase ao alívio de peso do veículo. Os ímãs NdFeB possuem fortes propriedades magnéticas, permitindo que forneçam a mesma potência de saída com menor volume e peso.

Simultaneamente, dentro dos motores de ímãs permanentes, o NdFeB é um dos materiais de ímãs permanentes mais comumente usados. Tipicamente, pequenas quantidades de gálio e elementos de terras raras pesadas, como disprósio, praseodímio e térbio, também são misturadas para garantir a resistência ao calor do motor de ímã permanente. No entanto, os elementos de terras raras pesadas são mais escassos nas reservas de minério e mais caros. Atualmente, algumas empresas estão mudando para o uso de mais terras raras leves e reduzindo o uso de terras raras pesadas.

Os elementos de terras raras não apenas participam da preparação dos materiais de eletrodo de bateria de lítio convencionais, mas também servem como excelentes matérias-primas para a preparação de eletrodos positivos em baterias de chumbo-ácido ou níquel-hidreto metálico (NiMH).

1. Baterias de Níquel-Hidreto Metálico (NiMH)
   Para veículos híbridos, a seleção de baterias NiMH do tipo potência e seus sistemas de gerenciamento oferece vantagens como altas características de potência, durabilidade, confiabilidade e uma grande margem de segurança. Atualmente, a maioria das baterias NiMH do tipo potência disponíveis comercialmente usa liga de armazenamento de hidrogênio de terras raras do tipo AB5 como material do eletrodo negativo. O uso de pó de liga de armazenamento de hidrogênio de terras raras como material do eletrodo negativo oferece benefícios como alta capacidade, ausência de poluição ambiental e longa vida útil do ciclo, ocupando uma posição importante no desenvolvimento de baterias. Atualmente, 85% dos HEVs globais usam baterias NiMH. Para o futuro previsível, as baterias de potência NiMH permanecerão a escolha preferida para HEVs, e os materiais de eletrodo negativo de armazenamento de hidrogênio usados podem atender totalmente aos requisitos das baterias NiMH de HEV.
2. Baterias de Íon-Lítio
   A adição de elementos de terras raras fornece maior estabilidade estrutural para os materiais e expande os canais tridimensionais para a migração ativa de íons de lítio. Isso dota as baterias de íon-lítio preparadas com maior estabilidade de carregamento, reversibilidade de ciclagem eletroquímica e maior vida útil do ciclo.
3. Baterias de Chumbo-Ácido
   Pesquisas domésticas indicam que a adição de terras raras é benéfica para melhorar a resistência à tração, a dureza, a resistência à corrosão e o sobrepotencial de evolução de oxigênio da liga à base de chumbo nas placas de eletrodo. A adição de terras raras ao material ativo pode reduzir a evolução de oxigênio do eletrodo positivo e aumentar a taxa de utilização do material ativo positivo, melhorando assim o desempenho e a vida útil da bateria.

É bem sabido que nem todos os NEVs atingem emissões zero. Por exemplo, veículos híbridos e elétricos de alcance estendido ainda emitem gases de escape durante a operação. Alguns veículos são obrigados a instalar conversores catalíticos de três vias (TWC) na fabricação, que usam catalisadores embutidos para reagir e converter gases nocivos em inofensivos. O principal constituinte dos TWCs são precisamente os elementos de terras raras. Devido à sua estrutura eletrônica única, as terras raras possuem capacidade de armazenamento de oxigênio distinta. Por exemplo, o cério em CeO₂ pode mudar seu estado de oxidação, oferecendo excelentes capacidades de armazenamento e liberação de oxigênio. Ele pode armazenar/liberar oxigênio em condições de combustível pobre/rico, melhorando assim a eficiência de conversão do catalisador para CO, HC e NOx.

Os elementos de terras raras também são chamados de "vitaminas" de cerâmicas especiais porque são frequentemente usados como aditivos em materiais cerâmicos para melhorar o desempenho. Por exemplo, o componente principal de um sensor de oxigênio de zircônia é um filme de zircônia, tipicamente formado pela dopagem de zircônia com elementos de terras raras. Quando exposta ao oxigênio, a condutividade do filme de zircônia muda, controlando assim a eficiência da combustão do motor e os níveis de emissão.

As terras raras são componentes importantes de dopagem em pós dielétricos MLCC, melhorando efetivamente a confiabilidade do MLCC. São matérias-primas indispensáveis no desenvolvimento de pós cerâmicos para MLCCs de alta qualidade. Por exemplo, óxidos de terras raras como Y₂O₃ e La₂O₃ são usados como aditivos em MLCCs para melhorar as propriedades dielétricas das cerâmicas e aumentar a densidade do capacitor e a faixa de frequência de operação. Em segundo lugar, a formação de uma fina camada de óxido de terras raras entre a cerâmica e o eletrodo pode melhorar a força de ligação e a estabilidade da interface, reduzindo as taxas de falha do capacitor e a corrente de fuga. Além disso, os óxidos de terras raras têm altos pontos de fusão e estabilidade térmica, o que pode reduzir a perda dielétrica em ambientes de alta temperatura e melhorar a confiabilidade e a vida útil do MLCC.

Os rolamentos cerâmicos de nitreto de silício (Si₃N₄) são considerados o melhor material para a fabricação de rolamentos automotivos devido a vantagens como leveza, alta dureza, alta resistência, baixo atrito, alta resistência ao calor, excelente isolamento elétrico e longa vida útil. No entanto, o nitreto de silício puro é difícil de sinterizar. A introdução de auxiliares de sinterização de óxido de terras raras pode formar fases intergranulares complexas de óxido/nitreto dentro da estrutura cerâmica, concedendo aos materiais de nitreto de silício bom desempenho em temperaturas elevadas.

Além disso, as terras raras desempenham um papel significativo no aço da carroceria automotiva, engrenagens, cubos de roda e até parafusos. Mesmo a indústria de fabricação de pneus requer materiais poliméricos de terras raras como estabilizadores. Pode-se dizer que, no campo automotivo, as terras raras, embora usadas em pequenas quantidades, são indispensáveis!

Em 1º de março, a Tesla realizou seu Dia do Investidor de 2023 e anunciou que seus motores de próxima geração eliminariam completamente o uso de terras raras. Essa notícia atraiu considerável atenção e ceticismo.

É importante notar que, em 2020, 77% dos veículos elétricos globais usavam motores de ímãs permanentes à base de terras raras. No mercado de NEV da China, mais de 90% dos EVs usam motores de ímãs permanentes de terras raras.

De uma Perspectiva de Recursos: De acordo com dados do USGS de 2021, usando as reservas de Óxido de Terras Raras (REO) como métrica estatística, as reservas globais totais de recursos de terras raras são de aproximadamente 120 milhões de toneladas. Elas são distribuídas principalmente na China, Vietnã, Brasil, Rússia e outros países. As reservas combinadas desses quatro países representam 86,4% do total global, com a China detendo 44 milhões de toneladas, e o Vietnã, Brasil e Rússia detendo cada um mais de 20 milhões de toneladas.

Atualmente, a China representa 35,2% das reservas globais, 58% da produção global de mineração e 65% do consumo global — classificando-se em primeiro lugar globalmente em todos os três aspectos. É o maior produtor, exportador e consumidor do mundo, ocupando uma posição dominante.

Um executivo da Zhongke Sanhuan afirmou anteriormente que, em média, cada NEV atualmente usa cerca de 2,5 quilogramas de material de ímã permanente NdFeB. Com base nisso, a demanda global de NEV por materiais magnéticos de terras raras deve atingir 30.000 toneladas até 2025.

Simultaneamente, a China está apertando seu controle sobre as terras raras. Em 2021, o Ministério da Indústria e Tecnologia da Informação e o Ministério de Recursos Naturais emitiram o "Aviso sobre a Emissão dos Indicadores de Controle Total de 2021 para Mineração e Separação de Fusão de Terras Raras". Os indicadores de controle total para mineração e separação de fusão de terras raras em 2021 foram de 168.000 toneladas e 162.000 toneladas, respectivamente, um aumento de cerca de 20% em comparação com 2020. Um rascunho de opinião anterior afirmou explicitamente que nenhuma unidade ou indivíduo pode investir ou construir projetos de mineração ou separação de fusão de terras raras sem aprovação, estabelecendo um tom geral para a futura mineração e separação de terras raras domésticas: implementação contínua do controle total de cotas.

No mesmo ano, o "Relatório de Revisão da Cadeia de Suprimentos de 100 Dias" da Casa Branca dos EUA destacou que a dependência dos EUA de importações de ímãs de terras raras dentro da cadeia industrial de terras raras representa uma ameaça à segurança nacional. Em resposta, um relatório do Departamento de Comércio dos EUA recomendou aumentar o apoio aos fabricantes domésticos de ímãs permanentes por meio de créditos fiscais, subsídios, aquisição prioritária e estocagem de defesa, promovendo vigorosamente processos para reduzir/eliminar terras raras em materiais de ímãs permanentes e "des-Sinizar" a cadeia industrial de ímãs permanentes.

De acordo com o Nikkei, os EUA estão reconstruindo sua rede de suprimentos de ímãs de terras raras. Para reduzir a dependência da China em materiais estratégicos, alguns processos de produção onde a China detém uma alta participação serão realocados para o continente dos EUA, e as empresas americanas que recebem apoio governamental estão acelerando o investimento. No entanto, reconstruir uma rede de suprimentos que depende há muito tempo da China não é tarefa fácil. Os EUA, com seus custos mais altos de aquisição de matérias-primas e logística, não têm uma vantagem competitiva. A análise da Bloomberg sugere que levaria aos EUA pelo menos uma década para alcançar a autossuficiência em sua cadeia de suprimentos de terras raras.

Juntamente com fatores como o aumento dos preços das terras raras, não é surpreendente que as montadoras japonesas, europeias e americanas estejam buscando alternativas e começando a pesquisar e desenvolver motores livres de terras raras.

De uma Perspectiva de Desempenho: Quando o Tesla Model S foi lançado em 2012, ele foi equipado com um motor de indução. Embora os motores de indução tenham certas vantagens de custo, eles também têm desvantagens como tamanho grande e menor eficiência, o que afeta a autonomia.

Para NEVs, a autonomia de condução é um fator competitivo fundamental. O peso mais pesado e a menor eficiência de conversão dos motores de indução levam à redução da autonomia do veículo. Esta é uma das principais razões pelas quais muitas montadoras optam por motores de ímãs permanentes.

Vale a pena notar que a Tesla mudou para um motor DC de ímã permanente a partir do Model 3 e, eventualmente, adotou este motor em outros modelos também. Dados mostram que o motor de ímã permanente usado no Model 3 é cerca de 6% mais eficiente do que o motor de indução usado anteriormente.

De uma Perspectiva de Material: Em relação à "des-terras-raras", o material alternativo mais proeminente atualmente é a "ferrita". Esta cerâmica composta de ferro e oxigênio, misturada com pequenas quantidades de metal, pode produzir ímãs. É barata e fácil de fabricar.

No entanto, a ferrita sempre foi um substituto de baixo custo para as terras raras NdFeB. Seu desempenho, volume e outros aspectos são difíceis de igualar aos níveis de NdFeB. Pode ser usado em alguns micromotores em veículos. Quanto aos ímãs permanentes de samário-cobalto (SmCo), eles próprios contêm o elemento de terra rara samário e são radioativos. Eles são atualmente usados apenas em campos militares, aeroespaciais e semelhantes. Substituí-los em NEVs seria contraproducente.

Atualmente, vários fabricantes começaram a pesquisar opções livres de terras raras. No entanto, seja os ímãs de nitrogênio-ferro da startup Niron ou outro material de alta força magnética contendo manganês, nenhum pode ser fabricado e preservado a longo prazo em uma forma ideal. Mesmo os ímãs de manganês-bismuto (Mn-Bi) protótipo relatados anteriormente, produzidos com sucesso pela DA Technology e Koreen, estão atualmente apenas passando por trabalho de verificação e melhoria de desempenho.

Claramente, considerando a busca da indústria de NEV por baixo custo e alta eficiência, juntamente com os desafios técnicos não resolvidos, romper completamente com os recursos de terras raras não é impossível, mas é inatingível no curto prazo. No mínimo, na China, os motores de terras raras permanecerão a direção principal para aplicações veiculares no futuro previsível.