"Без редкоземельных элементов нет автомобилей"?

В последние годы бурно развивающийся рынок новых энергетических транспортных средств (NEV) стимулировал процветание всей отраслевой цепочки, открывая беспрецедентные возможности для развития новых энергетических материалов, новых применений и новых рынков. Как важный класс стратегических минеральных ресурсов, редкоземельные элементы занимают значительное место в индустрии NEV.

Редкоземельные элементы относятся к ряду элементов, включая иттрий, скандий и 17 лантаноидов. Эти элементы играют жизненно важную роль в современной промышленности и считаются «промышленным MSG», способным улучшить качество или производительность материалов в таких секторах, как электроника и информационные технологии, нефтехимия, металлургия и энергетика.

В приложениях NEV редкоземельные элементы в основном используются в приводных двигателях, динамиках и жестких дисках электромобилей. В рамках целей углеродной нейтральности спрос Китая на редкоземельные элементы быстро растет наряду со стремительным развитием индустрии NEV. Данные показывают, что на NEV и электронную промышленность приходится наибольшая доля мирового потребления редкоземельных элементов, достигая 35%. Редкоземельные материалы незаменимы в приложениях NEV.

Если рассматривать потребление редкоземельных элементов в секторе NEV, то оно в основном включает в себя редкоземельные постоянные магнитные материалы и редкоземельные материалы для хранения водорода, составляя 64% и 36% соответственно. В индустрии NEV, будь то гибридные, полностью электрические или зарождающиеся автомобили на топливных элементах, постоянные магнитные двигатели являются основными компонентами. Редкоземельные постоянные магниты составляют примерно 60% от применения редкоземельных элементов в секторе NEV.

«Постоянный магнит» буквально означает поддержание долгосрочного и стабильного магнитного поля. Поддержание этого явления требует редкоземельного элемента «неодим». Добавление «железа» и «бора» к «неодиму» создает мощное и постоянно включенное магнитное поле — неодимовый железо-бор (NdFeB).

Магниты NdFeB обеспечивают сильную магнитную силу, позволяя двигателям выдавать больший крутящий момент и выходную мощность в меньшем объеме. Это означает, что электромобили могут быстрее разгоняться до той же скорости, а также повышать общую энергоэффективность автомобиля, значительно улучшая ходовые качества.

Во-вторых, высокоэффективные двигатели, изготовленные с использованием магнитов NdFeB, позволяют электромобилям достигать более высокого использования энергии от той же емкости аккумулятора. Это означает, что транспортные средства могут более эффективно использовать энергию, хранящуюся в аккумуляторах, тем самым увеличивая запас хода. Для потребителей это снижает беспокойство по поводу запаса хода, способствуя более широкому распространению NEV.

Кроме того, по сравнению с традиционными автомобилями с двигателями внутреннего сгорания, электромобили уделяют больше внимания облегчению веса автомобиля. Магниты NdFeB обладают сильными магнитными свойствами, что позволяет им выдавать ту же выходную мощность при меньшем объеме и весе.

В то же время, в постоянных магнитных двигателях NdFeB является одним из наиболее часто используемых материалов для постоянных магнитов. Как правило, небольшое количество галлия и тяжелых редкоземельных элементов, таких как диспрозий, празеодим и тербий, также смешиваются для обеспечения термостойкости постоянного магнитного двигателя. Однако тяжелые редкоземельные элементы более редки в рудных запасах и более дороги. В настоящее время некоторые компании переходят к использованию большего количества легких редкоземельных элементов и сокращению использования тяжелых редкоземельных элементов.

Редкоземельные элементы не только участвуют в подготовке современных основных материалов для электродов литиевых батарей, но и служат отличным сырьем для подготовки положительных электродов в свинцово-кислотных или никель-металлгидридных (NiMH) батареях.

1. Никель-металлгидридные (NiMH) батареи
   Для гибридных автомобилей выбор силовых NiMH-батарей и систем управления ими предлагает такие преимущества, как высокие мощностные характеристики, долговечность, надежность и большой запас прочности. В настоящее время в большинстве коммерчески доступных силовых NiMH-батарей в качестве материала отрицательного электрода используется редкоземельный сплав для хранения водорода типа AB5. Использование порошка редкоземельного сплава для хранения водорода в качестве материала отрицательного электрода дает такие преимущества, как высокая емкость, отсутствие загрязнения окружающей среды и длительный срок службы, занимая важное место в разработке батарей. В настоящее время 85% мировых HEV используют NiMH-батареи. В обозримом будущем силовые NiMH-батареи останутся предпочтительным выбором для HEV, а используемые материалы отрицательного электрода для хранения водорода могут полностью соответствовать требованиям HEV NiMH-батарей.
2. Литий-ионные батареи
   Добавление редкоземельных элементов обеспечивает большую структурную стабильность материалов и расширяет трехмерные каналы для миграции активных ионов лития. Это наделяет подготовленные литий-ионные батареи более высокой стабильностью зарядки, обратимостью электрохимического цикла и более длительным сроком службы.
3. Свинцово-кислотные батареи
   Отечественные исследования показывают, что добавление редкоземельных элементов полезно для улучшения прочности на растяжение, твердости, коррозионной стойкости и перенапряжения выделения кислорода свинцового сплава в электродных пластинах. Добавление редкоземельных элементов к активному материалу может уменьшить выделение кислорода из положительного электрода и увеличить коэффициент использования положительного активного материала, тем самым улучшая характеристики и срок службы батареи.

Хорошо известно, что не все NEV достигают нулевых выбросов. Например, гибридные и электромобили с увеличенным запасом хода все еще выделяют выхлопные газы во время работы. Некоторые транспортные средства должны устанавливать трехкомпонентные каталитические нейтрализаторы (TWC) при производстве, которые используют встроенные катализаторы для реакции и преобразования вредных газов в безвредные. Основным компонентом TWC являются именно редкоземельные элементы. Благодаря своей уникальной электронной структуре редкоземельные элементы обладают особой кислородной емкостью. Например, церий в CeO₂ может изменять свое состояние окисления, предлагая отличные возможности хранения и высвобождения кислорода. Он может хранить/высвобождать кислород в условиях бедной/богатой топливной смеси, тем самым повышая эффективность преобразования катализатора для CO, HC и NOx.

Редкоземельные элементы также называют «витаминами» специальной керамики, поскольку они часто используются в качестве добавок в керамические материалы для повышения производительности. Например, основным компонентом циркониевого датчика кислорода является пленка из диоксида циркония, обычно образующаяся путем легирования диоксида циркония редкоземельными элементами. При воздействии кислорода проводимость пленки из диоксида циркония изменяется, тем самым контролируя эффективность сгорания двигателя и уровни выбросов.

Редкоземельные элементы являются важными легирующими компонентами в диэлектрических порошках MLCC, эффективно повышая надежность MLCC. Они являются незаменимым сырьем при разработке керамических порошков для высококлассных MLCC. Например, оксиды редкоземельных элементов, такие как Y₂O₃ и La₂O₃, используются в качестве добавок в MLCC для улучшения диэлектрических свойств керамики и увеличения плотности конденсаторов и диапазона рабочих частот. Во-вторых, формирование тонкого слоя оксида редкоземельного элемента между керамикой и электродом может усилить силу сцепления и стабильность интерфейса, снижая частоту отказов конденсаторов и ток утечки. Кроме того, оксиды редкоземельных элементов имеют высокие температуры плавления и термическую стабильность, что может снизить диэлектрические потери в условиях высоких температур и повысить надежность и срок службы MLCC.

Керамические подшипники из нитрида кремния (Si₃N₄) считаются лучшим материалом для производства автомобильных подшипников благодаря таким преимуществам, как легкий вес, высокая твердость, высокая прочность, низкое трение, высокая термостойкость, отличная электроизоляция и долгий срок службы. Однако чистый нитрид кремния трудно спекается. Введение редкоземельных оксидных спекающих добавок может образовывать сложные межгранулярные фазы оксид/нитрид внутри керамической структуры, придавая материалам из нитрида кремния хорошие характеристики при повышенных температурах.

Кроме того, редкоземельные элементы играют важную роль в автомобильной стали, шестернях, ступицах колес и даже винтах. Даже индустрия производства шин требует редкоземельных полимерных материалов в качестве стабилизаторов. Можно сказать, что в автомобильной области редкоземельные элементы, хотя и используются в небольших количествах, незаменимы!

1 марта Tesla провела свой День инвестора 2023 года и объявила, что в двигателях следующего поколения будет полностью исключено использование редкоземельных элементов. Эта новость привлекла значительное внимание и скептицизм.

Важно отметить, что в 2020 году 77% мировых электромобилей использовали двигатели на основе редкоземельных постоянных магнитов. На китайском рынке NEV более 90% электромобилей используют редкоземельные постоянные магнитные двигатели.

С точки зрения ресурсов: Согласно данным USGS по состоянию на 2021 год, используя запасы оксидов редкоземельных элементов (REO) в качестве статистического показателя, общие мировые запасы редкоземельных ресурсов составляют примерно 120 миллионов тонн. Они в основном распределены в Китае, Вьетнаме, Бразилии, России и других странах. Совокупные запасы этих четырех стран составляют 86,4% от общемирового объема, при этом в Китае находится 44 миллиона тонн, а во Вьетнаме, Бразилии и России — более 20 миллионов тонн.

В настоящее время на долю Китая приходится 35,2% мировых запасов, 58% мирового объема добычи и 65% мирового потребления — занимая первое место в мире по всем трем аспектам. Он является крупнейшим в мире производителем, экспортером и потребителем, занимая доминирующее положение.

Руководитель Zhongke Sanhuan ранее заявил, что в среднем каждый NEV в настоящее время использует около 2,5 килограммов материала постоянного магнита NdFeB. Основываясь на этом, прогнозируется, что к 2025 году мировой спрос на редкоземельные магнитные материалы для NEV достигнет 30 000 тонн.

В то же время Китай ужесточает контроль над редкоземельными элементами. В 2021 году Министерство промышленности и информационных технологий и Министерство природных ресурсов выпустили «Уведомление о выдаче общих контрольных показателей для добычи и разделения редкоземельных элементов в 2021 году». Общие контрольные показатели для добычи и разделения редкоземельных элементов в 2021 году составили 168 000 тонн и 162 000 тонн соответственно, что примерно на 20% больше, чем в 2020 году. Предыдущий проект мнения прямо заявил, что ни одно подразделение или физическое лицо не может инвестировать или строить проекты по добыче или разделению редкоземельных элементов без разрешения, устанавливая общий тон для будущей внутренней добычи и разделения редкоземельных элементов: продолжение реализации общего контроля квот.

В том же году в «Отчете о 100-дневном обзоре цепочки поставок» Белого дома США подчеркивалось, что зависимость США от импорта редкоземельных магнитов в рамках редкоземельной промышленной цепочки представляет угрозу национальной безопасности. В ответ отчет Министерства торговли США рекомендовал увеличить поддержку отечественных производителей постоянных магнитов США посредством налоговых льгот, субсидий, приоритетных закупок и оборонного накопления, энергично продвигая процессы по сокращению/исключению редкоземельных элементов в материалах постоянных магнитов и «де-китаизации» цепочки поставок постоянных магнитов.

Согласно Nikkei, США восстанавливают свою сеть поставок редкоземельных магнитов. Чтобы уменьшить зависимость от Китая в стратегических материалах, некоторые производственные процессы, в которых Китай занимает высокую долю, будут перенесены на материковую часть США, и американские компании, получающие государственную поддержку, ускоряют инвестиции. Однако восстановление сети поставок, долгое время зависевшей от Китая, — непростая задача. США с более высокими затратами на закупку сырья и логистику не имеют конкурентного преимущества. Анализ Bloomberg предполагает, что США потребуется не менее десяти лет, чтобы достичь самообеспеченности в своей цепочке поставок редкоземельных элементов.

В сочетании с такими факторами, как рост цен на редкоземельные элементы, неудивительно, что японские, европейские и американские автопроизводители ищут альтернативы и начинают исследовать и разрабатывать двигатели, не содержащие редкоземельных элементов.

С точки зрения производительности: Когда Tesla Model S была запущена в 2012 году, она была оснащена индукционным двигателем. Хотя индукционные двигатели имеют определенные преимущества в стоимости, у них также есть недостатки, такие как большие размеры и более низкая эффективность, что влияет на запас хода.

Для NEV запас хода является ключевым конкурентным фактором. Более тяжелый вес и более низкая эффективность преобразования индукционных двигателей приводят к уменьшению запаса хода автомобиля. Это основная причина, по которой многие автопроизводители выбирают постоянные магнитные двигатели.

Стоит отметить, что Tesla перешла на постоянный магнитный двигатель постоянного тока, начиная с Model 3, и в конечном итоге внедрила этот двигатель и в другие модели. Данные показывают, что постоянный магнитный двигатель, используемый в Model 3, примерно на 6% эффективнее, чем ранее использовавшийся индукционный двигатель.

С точки зрения материала: Что касается «удаления редкоземельных элементов», наиболее заметным альтернативным материалом в настоящее время является «феррит». Эта керамика, состоящая из железа и кислорода, смешанных с небольшим количеством металла, может производить магниты. Он дешевый и простой в производстве.

Однако феррит всегда был дешевой заменой редкоземельному NdFeB. Его характеристики, объем и другие аспекты трудно сопоставить с уровнями NdFeB. Его можно использовать в некоторых микромоторах в транспортных средствах. Что касается самарий-кобальтовых (SmCo) постоянных магнитов, то они сами содержат редкоземельный элемент самарий и являются радиоактивными. В настоящее время они используются только в военной, аэрокосмической и аналогичных областях. Замена ими в NEV была бы контрпродуктивной.

В настоящее время несколько производителей начали исследовать варианты, не содержащие редкоземельных элементов. Однако, будь то азотно-железные магниты Niron или другой материал с высокой магнитной силой, содержащий марганец, ни один из них не может быть изготовлен и сохранен в течение длительного времени в идеальной форме. Даже ранее сообщавшиеся прототипные марганцево-висмутовые (Mn-Bi) магниты, успешно произведенные DA Technology и Koreen, в настоящее время проходят только проверку производительности и работу по улучшению.

Очевидно, что, учитывая стремление индустрии NEV к низким затратам и высокой эффективности, в сочетании с нерешенными техническими проблемами, полное освобождение от редкоземельных ресурсов не невозможно, но недостижимо в краткосрочной перспективе. По крайней мере, в Китае редкоземельные двигатели останутся основным направлением для применения в транспортных средствах в обозримом будущем.