"No hay tierras raras, no hay coche"?

En los últimos años, el floreciente mercado de vehículos de nuevas energías (NEV) ha impulsado el florecimiento de toda la cadena industrial, generando oportunidades de desarrollo sin precedentes para nuevos materiales energéticos relacionados, nuevas aplicaciones y nuevos mercados. Como clase importante de recursos minerales estratégicos, las tierras raras ocupan una posición importante en la industria de los NEV.

Las tierras raras se refieren a una serie de elementos, incluidos el itrio, el escandio y los 17 elementos lantánidos. Estos elementos desempeñan un papel vital en la industria moderna y son aclamados como "MSG industrial", capaz de mejorar la calidad o el rendimiento del material en sectores como la electrónica y la tecnología de la información, la petroquímica, la metalurgia y la energía.

En las aplicaciones de NEV, las tierras raras se utilizan principalmente en motores de accionamiento, altavoces y unidades de disco duro de vehículos eléctricos. Según los objetivos de neutralidad de carbono, la demanda china de tierras raras está aumentando rápidamente junto con el rápido desarrollo de la industria de los NEV. Los datos muestran que los NEV y la industria electrónica representan la mayor proporción del consumo mundial de tierras raras, alcanzando el 35%. Los materiales de tierras raras son indispensables en las aplicaciones NEV.

Si se analiza el consumo de tierras raras dentro del sector de NEV, se trata principalmente de materiales magnéticos permanentes de tierras raras y materiales de almacenamiento de hidrógeno de tierras raras, que representan el 64% y el 36%, respectivamente. En la industria de los NEV, ya sea para vehículos híbridos, eléctricos puros o de pila de combustible incipientes, los motores de imanes permanentes son componentes centrales esenciales. Los imanes permanentes de tierras raras constituyen aproximadamente el 60% de las aplicaciones de tierras raras en el sector NEV.

"Imán permanente" significa literalmente mantener un campo magnético estable y duradero. Para mantener este fenómeno se requiere el elemento de tierras raras "neodimio". Agregar "hierro" y "boro" al "neodimio" crea un campo magnético potente y siempre activo: el neodimio hierro boro (NdFeB).

Los imanes de NdFeB proporcionan una fuerte fuerza magnética, lo que permite que los motores proporcionen un mayor par y potencia de salida en un volumen menor. Esto significa que los vehículos eléctricos pueden acelerar a la misma velocidad más rápidamente y al mismo tiempo mejorar la eficiencia energética general del vehículo, lo que mejora significativamente el rendimiento de conducción.

En segundo lugar, los motores altamente eficientes fabricados con imanes de NdFeB permiten a los vehículos eléctricos lograr una mayor utilización de energía con la misma capacidad de batería. Esto significa que los vehículos pueden utilizar de forma más eficaz la energía almacenada en las baterías, ampliando así la autonomía de conducción. Para los consumidores, esto reduce la ansiedad por la autonomía, lo que facilita una adopción más amplia de los NEV.

Además, en comparación con los vehículos tradicionales con motor de combustión interna, los vehículos eléctricos ponen mayor énfasis en el aligeramiento del vehículo. Los imanes de NdFeB poseen fuertes propiedades magnéticas, lo que les permite ofrecer la misma potencia de salida con menor volumen y peso.

Al mismo tiempo, dentro de los motores de imanes permanentes, el NdFeB es uno de los materiales de imanes permanentes más utilizados. Por lo general, también se mezclan pequeñas cantidades de galio y elementos pesados ​​de tierras raras como disprosio, praseodimio y terbio para garantizar la resistencia al calor del motor de imán permanente. Sin embargo, las tierras raras pesadas son más escasas en las reservas de mineral y más costosas. Actualmente, algunas empresas están cambiando hacia el uso de tierras raras más ligeras y reduciendo el uso de tierras raras pesadas.

Los elementos de tierras raras no solo participan en la preparación de los actuales materiales de electrodos de baterías de litio, sino que también sirven como excelentes materias primas para preparar electrodos positivos en baterías de plomo-ácido o de níquel-hidruro metálico (NiMH).

1. Baterías de hidruro metálico de níquel (NiMH)
   Para los vehículos híbridos, la selección de baterías NiMH de tipo energético y sus sistemas de gestión ofrece ventajas como características de alta potencia, durabilidad, confiabilidad y un amplio margen de seguridad. Actualmente, la mayoría de las baterías NiMH de tipo eléctrico disponibles comercialmente utilizan una aleación de almacenamiento de hidrógeno de tierras raras tipo AB5 como material del electrodo negativo. El uso de polvo de aleación de almacenamiento de hidrógeno de tierras raras como material del electrodo negativo ofrece beneficios como alta capacidad, ausencia de contaminación ambiental y un ciclo de vida prolongado, lo que ocupa una posición importante en el desarrollo de baterías. Actualmente, el 85% de los HEV mundiales utilizan baterías de NiMH. En el futuro previsible, las baterías de NiMH seguirán siendo la opción preferida para los HEV, y los materiales de los electrodos negativos de almacenamiento de hidrógeno utilizados pueden cumplir plenamente los requisitos de las baterías de NiMH de los HEV.
2. Baterías de iones de litio
   La adición de elementos de tierras raras proporciona una mayor estabilidad estructural a los materiales y amplía los canales tridimensionales para la migración activa de iones de litio. Esto dota a las baterías de iones de litio preparadas con una mayor estabilidad de carga, reversibilidad de los ciclos electroquímicos y un ciclo de vida más largo.
3. Baterías de plomo-ácido
   La investigación nacional indica que agregar tierras raras es beneficioso para mejorar la resistencia a la tracción, la dureza, la resistencia a la corrosión y el sobrepotencial de evolución de oxígeno de la aleación a base de plomo en las placas de electrodos. Agregar tierras raras al material activo puede reducir la evolución de oxígeno del electrodo positivo y aumentar la tasa de utilización del material activo positivo, mejorando así el rendimiento y la vida útil de la batería.

Es bien sabido que no todos los NEV alcanzan cero emisiones. Por ejemplo, los vehículos híbridos y eléctricos de autonomía extendida siguen emitiendo gases de escape durante su funcionamiento. Algunos vehículos tienen la obligación de instalar convertidores catalíticos de tres vías (TWC) en el momento de su fabricación, que utilizan catalizadores incorporados para reaccionar y convertir gases nocivos en gases inofensivos. El componente principal de los TWC son precisamente las tierras raras. Debido a su estructura electrónica única, las tierras raras poseen una capacidad distintiva de almacenamiento de oxígeno. Por ejemplo, el cerio en CeO₂ puede cambiar su estado de oxidación, ofreciendo excelentes capacidades de almacenamiento y liberación de oxígeno. Puede almacenar/liberar oxígeno en condiciones de combustible pobre/rico, mejorando así la eficiencia de conversión del catalizador para CO, HC y NOx.

Los elementos de tierras raras también se denominan "vitaminas" de las cerámicas especiales porque a menudo se utilizan como aditivos en los materiales cerámicos para mejorar el rendimiento. Por ejemplo, el componente central de un sensor de oxígeno de circonio es una película de circonio, normalmente formada por dopaje de circonio con elementos de tierras raras. Cuando se expone al oxígeno, la conductividad de la película de circonio cambia, controlando así la eficiencia de la combustión del motor y los niveles de emisiones.

Las tierras raras son componentes dopantes importantes en los polvos dieléctricos MLCC, lo que mejora eficazmente la confiabilidad del MLCC. Son materias primas indispensables en el desarrollo de polvos cerámicos para MLCC de alta gama. Por ejemplo, los óxidos de tierras raras como Y₂O₃ y La₂O₃ se utilizan como aditivos en los MLCC para mejorar las propiedades dieléctricas de las cerámicas y aumentar la densidad del condensador y el rango de frecuencia de funcionamiento. En segundo lugar, formar una fina capa de óxido de tierras raras entre la cerámica y el electrodo puede mejorar la fuerza de unión y la estabilidad de la interfaz, reduciendo las tasas de fallo de los condensadores y la corriente de fuga. Además, los óxidos de tierras raras tienen altos puntos de fusión y estabilidad térmica, lo que puede reducir la pérdida dieléctrica en ambientes de alta temperatura y mejorar la confiabilidad y vida útil del MLCC.

Los rodamientos cerámicos de nitruro de silicio (Si₃N₄) se consideran el mejor material para fabricar rodamientos para automóviles debido a ventajas como peso ligero, alta dureza, alta resistencia, baja fricción, alta resistencia al calor, excelente aislamiento eléctrico y larga vida útil. Sin embargo, el nitruro de silicio puro es difícil de sinterizar. La introducción de auxiliares de sinterización de óxidos de tierras raras puede formar fases intergranulares complejas de óxido/nitruro dentro de la estructura cerámica, lo que otorga a los materiales de nitruro de silicio un buen rendimiento a temperaturas elevadas.

Además, las tierras raras desempeñan un papel importante en el acero de la carrocería, los engranajes, los cubos de las ruedas e incluso los tornillos de los automóviles. Incluso la industria de fabricación de neumáticos requiere materiales poliméricos de tierras raras como estabilizadores. Se puede decir que en el sector de la automoción las tierras raras, aunque se utilicen en pequeñas cantidades, ¡son indispensables!

El 1 de marzo, Tesla celebró su Día del Inversor 2023 y anunció que sus motores de próxima generación eliminarían por completo el uso de tierras raras. Esta noticia atrajo considerable atención y escepticismo.

Es importante señalar que en 2020, el 77% de los vehículos eléctricos mundiales utilizaban motores de imanes permanentes basados ​​en tierras raras. En el mercado de vehículos eléctricos de nueva generación de China, más del 90% de los vehículos eléctricos utilizan motores de imanes permanentes de tierras raras.

Desde una perspectiva de recursos:Según datos del USGS a partir de 2021, utilizando las reservas de óxido de tierras raras (REO) como métrica estadística, las reservas totales mundiales de recursos de tierras raras son de aproximadamente 120 millones de toneladas. Se distribuyen principalmente en China, Vietnam, Brasil, Rusia y otros países. Las reservas combinadas de estos cuatro países representan el 86,4% del total mundial: China posee 44 millones de toneladas y Vietnam, Brasil y Rusia poseen cada uno más de 20 millones de toneladas.

Actualmente, China representa el 35,2% de las reservas mundiales, el 58% de la producción minera mundial y el 65% del consumo mundial, ocupando el primer lugar a nivel mundial en los tres aspectos. Es el mayor productor, exportador y consumidor del mundo y ocupa una posición dominante.

Un ejecutivo de Zhongke Sanhuan afirmó anteriormente que, en promedio, cada NEV utiliza actualmente alrededor de 2,5 kilogramos de material de imán permanente NdFeB. Sobre esta base, se prevé que la demanda mundial de NEV de materiales magnéticos de tierras raras alcance las 30.000 toneladas en 2025.

Al mismo tiempo, China está reforzando su control sobre las tierras raras. En 2021, el Ministerio de Industria y Tecnología de la Información y el Ministerio de Recursos Naturales emitieron el "Aviso sobre la emisión de indicadores de control total para 2021 para la minería y la separación de fundiciones de tierras raras". Los indicadores de control total para la extracción y separación por fundición de tierras raras en 2021 fueron 168.000 toneladas y 162.000 toneladas, respectivamente, un aumento de aproximadamente el 20% en comparación con 2020. Un borrador de opinión anterior establecía explícitamente que ninguna unidad o individuo puede invertir o construir proyectos de separación por fundición o minería de tierras raras sin aprobación, estableciendo un tono general para la futura extracción y separación por fundición de tierras raras a nivel nacional: implementación continua del control total de cuotas.

Ese mismo año, el "Informe de revisión de la cadena de suministro de 100 días" de la Casa Blanca de Estados Unidos destacó que la dependencia estadounidense de las importaciones de imanes de tierras raras dentro de la cadena industrial de tierras raras representa una amenaza para la seguridad nacional. En respuesta, un informe del Departamento de Comercio de EE. UU. recomendó aumentar el apoyo a los fabricantes nacionales de imanes permanentes de EE. UU. a través de créditos fiscales, subsidios, adquisiciones prioritarias y almacenamiento de defensa, promoviendo vigorosamente procesos para reducir/eliminar tierras raras en materiales de imanes permanentes y "dessinizar" la cadena industrial de imanes permanentes.

De acuerdo aNikkei, Estados Unidos está reconstruyendo su red de suministro de imanes de tierras raras. Para reducir la dependencia de China en materiales estratégicos, algunos procesos de producción en los que China tiene una gran participación se trasladarán al territorio continental de Estados Unidos, y las empresas estadounidenses que reciben apoyo gubernamental están acelerando la inversión. Sin embargo, reconstruir una red de suministro que durante mucho tiempo ha dependido de China no es una tarea fácil. Estados Unidos, con sus mayores costos de adquisición de materias primas y logística, carece de una ventaja competitiva. El análisis de Bloomberg sugiere que a Estados Unidos le tomaría al menos una década lograr la autosuficiencia en su cadena de suministro de tierras raras.

Sumado a factores como el aumento de los precios de las tierras raras, no sorprende que los fabricantes de automóviles japoneses, europeos y estadounidenses estén buscando alternativas y comenzando a investigar y desarrollar motores sin tierras raras.

Desde una perspectiva de rendimiento:Cuando el Tesla Model S se lanzó en 2012, estaba equipado con un motor de inducción. Si bien los motores de inducción tienen ciertas ventajas de costos, también tienen desventajas como su gran tamaño y menor eficiencia, que afectan el alcance.

Para los NEV, la autonomía es un factor competitivo clave. El mayor peso y la menor eficiencia de conversión de los motores de inducción reducen la autonomía del vehículo. Esta es una de las principales razones por las que muchos fabricantes de automóviles optan por motores de imanes permanentes.

Vale la pena señalar que Tesla cambió a un motor de CC de imán permanente a partir del Modelo 3 y finalmente adoptó este motor también en otros modelos. Los datos muestran que el motor de imán permanente utilizado en el Modelo 3 es aproximadamente un 6% más eficiente que el motor de inducción utilizado anteriormente.

Desde una perspectiva material:En cuanto a las "tierras raras", el material alternativo más destacado actualmente es la "ferrita". Esta cerámica compuesta de hierro y oxígeno, mezclada con pequeñas cantidades de metal, puede producir imanes. Es barato y fácil de fabricar.

Sin embargo, la ferrita siempre ha sido un sustituto de gama baja del NdFeB de tierras raras. Su rendimiento, volumen y otros aspectos son difíciles de igualar con los niveles de NdFeB. Se puede utilizar en algunos micromotores de vehículos. En cuanto a los imanes permanentes de samario-cobalto (SmCo), ellos mismos contienen el elemento de tierras raras samario y son radiactivos. Actualmente se utilizan únicamente en campos militares, aeroespaciales y similares. Sustituirlos en NEV sería contraproducente.

Actualmente, varios fabricantes han comenzado a investigar opciones sin tierras raras. Sin embargo, ya sean los imanes de nitrógeno y hierro de la startup Niron u otro material de alta fuerza magnética que contenga manganeso, ninguno de los dos puede fabricarse ni conservarse a largo plazo en una forma ideal. Incluso los prototipos de imanes de manganeso-bismuto (Mn-Bi) previamente informados y producidos con éxito por DA Technology y Koreen actualmente solo se encuentran en trabajos de verificación y mejora del rendimiento.

Claramente, considerando la búsqueda de bajo costo y alta eficiencia por parte de la industria de NEV, junto con los desafíos técnicos no resueltos, liberarse por completo de los recursos de tierras raras no es imposible, pero es inalcanzable en el corto plazo. Como mínimo, en China, los motores de tierras raras seguirán siendo la dirección principal para las aplicaciones de vehículos en el futuro previsible.