"Hiçbir Nadir Toprak, Araba Yok" mu?

Son yıllarda, patlama yaşayan yeni enerji araçları (NEV) pazarı, tüm endüstri zincirini canlandırmış, ilgili yeni enerji malzemeleri, yeni uygulamalar ve yeni pazarlar için benzeri görülmemiş gelişim fırsatları sunmuştur. Stratejik mineral kaynaklarının önemli bir sınıfı olarak, nadir toprak elementleri, NEV endüstrisinde önemli bir konuma sahiptir.

Nadir topraklar, itriyum, skandiyum ve 17 lantanit elementini içeren bir dizi elementi ifade eder. Bu elementler modern endüstride hayati bir rol oynar ve elektronik ve bilgi teknolojisi, petrokimya, metalurji ve enerji gibi sektörlerde malzeme kalitesini veya performansını artırabilen "endüstriyel MSG" olarak kabul edilir.

NEV uygulamalarında, nadir topraklar öncelikle tahrik motorlarında, hoparlörlerde ve elektrikli araçların sabit disk sürücülerinde kullanılır. Karbon nötrlüğü hedefleri doğrultusunda, Çin'in nadir toprak talebi, NEV endüstrisinin hızlı gelişimiyle birlikte hızla artmaktadır. Veriler, NEV'ler ve elektronik endüstrisinin, küresel nadir toprak tüketiminin en yüksek payını oluşturduğunu ve %35'e ulaştığını göstermektedir. Nadir toprak malzemeleri, NEV uygulamalarında vazgeçilmezdir.

NEV sektöründeki nadir toprak tüketimine bakıldığında, ağırlıklı olarak nadir toprak kalıcı mıknatıs malzemeleri ve nadir toprak hidrojen depolama malzemelerini içerir ve sırasıyla %64 ve %36'sını oluşturur. NEV endüstrisinde, hibrit, tamamen elektrikli veya yeni ortaya çıkan yakıt hücreli araçlar için olsun, kalıcı mıknatıs motorları temel bileşenlerdir. Nadir toprak kalıcı mıknatısları, NEV sektöründeki nadir toprak uygulamalarının yaklaşık %60'ını oluşturur.

"Kalıcı mıknatıs" kelimesi, uzun ömürlü ve kararlı bir manyetik alanın korunması anlamına gelir. Bu olgunun sürdürülmesi, "neodimyum" nadir toprak elementini gerektirir. "Neodimyum"a "demir" ve "bor" eklemek, güçlü ve her zaman açık bir manyetik alan oluşturur—neodimyum demir bor (NdFeB).

NdFeB mıknatısları, güçlü manyetik kuvvet sağlar, bu da motorların daha küçük bir hacimde daha büyük tork ve güç çıkışı sağlamasını sağlar. Bu, EV'lerin aynı hıza daha hızlı ivmelenmesi ve aynı zamanda genel araç enerji verimliliğini artırması anlamına gelir, bu da sürüş performansını önemli ölçüde artırır.

İkincisi, NdFeB mıknatıslarla yapılan yüksek verimli motorlar, EV'lerin aynı pil kapasitesinden daha yüksek enerji kullanımı elde etmesini sağlar. Bu, araçların pillerde depolanan enerjiyi daha etkili bir şekilde kullanabileceği ve böylece sürüş menzilini uzatabileceği anlamına gelir. Tüketiciler için bu, menzil kaygısını azaltır ve NEV'lerin daha geniş çapta benimsenmesini kolaylaştırır.

Ayrıca, geleneksel içten yanmalı motorlu araçlara kıyasla, EV'ler araç hafifletmeye daha fazla önem verir. NdFeB mıknatısları, güçlü manyetik özelliklere sahiptir ve aynı çıkış gücünü daha küçük hacim ve ağırlıkla sağlayabilmelerini sağlar.

Aynı zamanda, kalıcı mıknatıs motorlarında, NdFeB en yaygın kullanılan kalıcı mıknatıs malzemelerinden biridir. Tipik olarak, kalıcı mıknatıs motorunun ısı direncini sağlamak için az miktarda galyum ve disprozyum, praseodimyum ve terbiyum gibi ağır nadir toprak elementleri de karıştırılır. Ancak, ağır nadir toprak elementleri cevher rezervlerinde daha kıttır ve daha maliyetlidir. Şu anda, bazı şirketler daha fazla hafif nadir toprak kullanmaya ve ağır nadir toprak kullanımını azaltmaya yönelmektedir.

Nadir toprak elementleri sadece mevcut ana akım lityum pil elektrot malzemelerinin hazırlanmasına katılmakla kalmaz, aynı zamanda kurşun asit veya nikel-metal hidrit (NiMH) pillerde pozitif elektrotların hazırlanması için mükemmel ham maddeler olarak da hizmet eder.

1. Nikel-Metal Hidrit (NiMH) Piller
   Hibrit araçlar için, güç tipi NiMH pillerin ve bunların yönetim sistemlerinin seçimi, yüksek güç özellikleri, dayanıklılık, güvenilirlik ve geniş bir güvenlik marjı gibi avantajlar sunar. Şu anda, ticari olarak mevcut çoğu güç tipi NiMH pili, negatif elektrot malzemesi olarak AB5 tipi nadir toprak hidrojen depolama alaşımı kullanır. Nadir toprak hidrojen depolama alaşım tozunu negatif elektrot malzemesi olarak kullanmak, yüksek kapasite, çevresel kirlilik olmaması ve uzun çevrim ömrü gibi faydalar sunar ve pil gelişiminde önemli bir konuma sahiptir. Şu anda, küresel HEV'lerin %85'i NiMH piller kullanmaktadır. Öngörülebilir gelecek için, NiMH güç pilleri, HEV'ler için tercih edilen seçenek olmaya devam edecek ve kullanılan hidrojen depolama negatif elektrot malzemeleri, HEV NiMH pillerin gereksinimlerini tam olarak karşılayabilir.
2. Lityum-iyon Piller
   Nadir toprak elementlerinin eklenmesi, malzemeler için daha fazla yapısal kararlılık sağlar ve aktif lityum-iyon göçü için üç boyutlu kanalları genişletir. Bu, hazırlanan lityum-iyon pillere daha yüksek şarj kararlılığı, elektrokimyasal çevrim tersinirliği ve daha uzun çevrim ömrü kazandırır.
3. Kurşun-Asit Piller
   Yerli araştırmalar, nadir toprakların eklenmesinin, elektrot plakalarındaki kurşun bazlı alaşımın çekme dayanımını, sertliğini, korozyon direncini ve oksijen evrimi aşırı potansiyelini iyileştirmek için faydalı olduğunu göstermektedir. Aktif malzemeye nadir toprakların eklenmesi, pozitif elektrottan oksijen evrimini azaltabilir ve pozitif aktif malzemenin kullanım oranını artırabilir, böylece pil performansını ve ömrünü iyileştirir.

Tüm NEV'lerin sıfır emisyon elde etmediği iyi bilinmektedir. Örneğin, hibrit ve genişletilmiş menzilli elektrikli araçlar hala çalışma sırasında egzoz yayar. Bazı araçların, zararlı gazları zararsız olanlara dönüştürmek için yerleşik katalizörler kullanan üç yollu katalitik konvertörler (TWC) takması zorunludur. TWC'lerin birincil bileşeni tam olarak nadir toprak elementleridir. Eşsiz elektron yapıları nedeniyle, nadir topraklar farklı oksijen depolama kapasitesine sahiptir. Örneğin, CeO₂'deki seriyum, oksidasyon durumunu değiştirebilir ve mükemmel oksijen depolama ve salım yetenekleri sunar. Zengin/fakir yakıt koşullarında oksijen depolayabilir/salabilir, böylece CO, HC ve NOx için katalizörün dönüşüm verimliliğini artırır.

Nadir toprak elementleri aynı zamanda özel seramiklerin "vitaminleri" olarak da adlandırılır, çünkü performansı artırmak için genellikle seramik malzemelerde katkı maddesi olarak kullanılırlar. Örneğin, zirkonya oksijen sensörünün temel bileşeni, tipik olarak zirkonyumun nadir toprak elementleriyle katkılanmasıyla oluşan bir zirkonya filmidir. Oksijene maruz kaldığında, zirkonya filminin iletkenliği değişir, böylece motor yanma verimliliğini ve emisyon seviyelerini kontrol eder.

Nadir topraklar, MLCC dielektrik tozlarında önemli katkı bileşenleridir ve MLCC güvenilirliğini etkili bir şekilde iyileştirir. Yüksek kaliteli MLCC'ler için seramik tozları geliştirirken vazgeçilmez ham maddelerdir. Örneğin, Y₂O₃ ve La₂O₃ gibi nadir toprak oksitleri, seramiklerin dielektrik özelliklerini iyileştirmek ve kapasitör yoğunluğunu ve çalışma frekans aralığını artırmak için MLCC'lerde katkı maddesi olarak kullanılır. İkincisi, seramik ve elektrot arasında ince bir nadir toprak oksit tabakası oluşturmak, yapışma kuvvetini ve arayüz kararlılığını artırabilir, kapasitör arızası oranlarını ve kaçak akımı azaltabilir. Ayrıca, nadir toprak oksitleri yüksek erime noktalarına ve termal kararlılığa sahiptir, bu da yüksek sıcaklık ortamlarında dielektrik kaybını azaltabilir ve MLCC güvenilirliğini ve ömrünü iyileştirebilir.

Silisyum nitrür (Si₃N₄) seramik rulmanlar, hafiflik, yüksek sertlik, yüksek mukavemet, düşük sürtünme, yüksek ısı direnci, mükemmel elektriksel yalıtım ve uzun ömür gibi avantajları nedeniyle otomotiv rulmanları üretimi için en iyi malzeme olarak kabul edilir. Ancak, saf silisyum nitrürün sinterlenmesi zordur. Nadir toprak oksit sinterleme yardımcılarının tanıtılması, seramik yapıda karmaşık oksit/nitrürler arası fazlar oluşturabilir ve silisyum nitrür malzemelere yüksek sıcaklıklarda iyi performans sağlar.

Ayrıca, nadir topraklar otomotiv gövde çeliği, dişliler, tekerlek göbekleri ve hatta vidalarda önemli bir rol oynar. Hatta lastik imalat endüstrisi bile dengeleyici olarak nadir toprak polimer malzemelerine ihtiyaç duyar. Otomotiv alanında, nadir toprakların az miktarda kullanılmasına rağmen, vazgeçilmez olduğu söylenebilir!

1 Mart'ta Tesla, 2023 Yatırımcı Günü'nü düzenledi ve yeni nesil motorlarının nadir toprak kullanımını tamamen ortadan kaldıracağını duyurdu. Bu haber, önemli ölçüde ilgi ve şüphe uyandırdı.

2020'de, küresel elektrikli araçların %77'sinin nadir toprak bazlı kalıcı mıknatıs motorları kullandığını belirtmek önemlidir. Çin'in NEV pazarında, EV'lerin %90'ından fazlası nadir toprak kalıcı mıknatıs motorları kullanmaktadır.

Kaynak Perspektifinden: 2021 itibarıyla USGS verilerine göre, İstatistiksel ölçüt olarak Nadir Toprak Oksit (REO) rezervleri kullanıldığında, küresel toplam nadir toprak kaynak rezervleri yaklaşık 120 milyon tondur. Bunlar ağırlıklı olarak Çin, Vietnam, Brezilya, Rusya ve diğer ülkelerde dağıtılmaktadır. Bu dört ülkenin birleşik rezervleri, küresel toplamın %86,4'ünü oluşturmaktadır; Çin 44 milyon ton, Vietnam, Brezilya ve Rusya ise her biri 20 milyon tondan fazla rezervlere sahiptir.

Şu anda, Çin küresel rezervlerin %35,2'sini, küresel madencilik üretiminin %58'ini ve küresel tüketimin %65'ini oluşturmaktadır; her üç açıdan da küresel olarak ilk sırada yer almaktadır. Dünyanın en büyük üreticisi, ihracatçısı ve tüketicisi olup, baskın bir konuma sahiptir.

Zhongke Sanhuan'dan bir yönetici daha önce, ortalama olarak, her NEV'in şu anda yaklaşık 2,5 kilogram NdFeB kalıcı mıknatıs malzemesi kullandığını belirtmişti. Buna dayanarak, nadir toprak manyetik malzemelere yönelik küresel NEV talebinin 2025 yılına kadar 30.000 tona ulaşması öngörülmektedir.

Aynı zamanda, Çin nadir topraklar üzerindeki kontrolünü sıkılaştırmaktadır. 2021'de, Sanayi ve Bilgi Teknolojileri Bakanlığı ve Doğal Kaynaklar Bakanlığı, "2021 Nadir Toprak Madenciliği ve Eritme Ayırma için Toplam Kontrol Göstergelerinin Yayınlanması Hakkında Bildirim" yayınladı. 2021'deki nadir toprak madenciliği ve eritme ayırma için toplam kontrol göstergeleri sırasıyla 168.000 ton ve 162.000 tondu ve bu, 2020'ye göre yaklaşık %20'lik bir artıştı. Önceki bir taslak görüş, hiçbir birimin veya bireyin onay olmadan nadir toprak madenciliği veya eritme ayırma projelerine yatırım yapamayacağını veya inşa edemeyeceğini açıkça belirtmiş ve gelecekteki yerli nadir toprak madenciliği ve ayırma için genel bir ton belirlemiştir: toplam kota kontrolünün sürekli uygulanması.

Aynı yıl, ABD Beyaz Sarayı'nın "100 Günlük Tedarik Zinciri İnceleme Raporu", ABD'nin nadir toprak endüstriyel zincirindeki nadir toprak mıknatıs ithalatına bağımlılığının ulusal güvenlik için bir tehdit oluşturduğunu vurguladı. Buna yanıt olarak, bir ABD Ticaret Bakanlığı raporu, vergi kredileri, sübvansiyonlar, öncelikli tedarik ve savunma stoklaması yoluyla yerli ABD kalıcı mıknatıs üreticilerine desteğin artırılmasını, kalıcı mıknatıs malzemelerinde nadir toprakları azaltma/ortadan kaldırma ve kalıcı mıknatıs endüstriyel zincirini "Çin'den arındırma" süreçlerini güçlü bir şekilde teşvik etmeyi önerdi.

"Nikkei"'ye göre, ABD nadir toprak mıknatıs tedarik ağını yeniden inşa ediyor. Stratejik malzemelerde Çin'e olan bağımlılığı azaltmak için, Çin'in yüksek paya sahip olduğu bazı üretim süreçleri ABD anakarasına taşınacak ve hükümet desteği alan ABD şirketleri yatırımlarını hızlandırıyor. Ancak, uzun süredir Çin'e bağımlı bir tedarik ağını yeniden inşa etmek kolay bir iş değil. Daha yüksek hammadde tedariki ve lojistik maliyetlerine sahip olan ABD'nin rekabet avantajı bulunmuyor. Bloomberg analizi, ABD'nin nadir toprak tedarik zincirinde kendi kendine yeterliliğe ulaşmasının en az on yıl süreceğini öne sürüyor.Nadir toprak fiyatlarının yükselmesi gibi faktörlerle birleştiğinde, Japon, Avrupa ve Amerikan otomobil üreticilerinin alternatifler araması ve nadir toprak içermeyen motorları araştırmaya ve geliştirmeye başlaması şaşırtıcı değil.Performans Perspektifinden:

Tesla Model S 2012'de piyasaya sürüldüğünde, bir indüksiyon motoruyla donatılmıştı. İndüksiyon motorları belirli maliyet avantajlarına sahipken, aynı zamanda büyük boyut ve daha düşük verimlilik gibi menzili etkileyen dezavantajlara da sahiptir.

NEV'ler için, sürüş menzili önemli bir rekabet faktörüdür. İndüksiyon motorlarının daha ağır ağırlığı ve daha düşük dönüşüm verimliliği, araç menzilinin azalmasına yol açar. Bu, birçok otomobil üreticisinin kalıcı mıknatıs motorlarını tercih etmesinin önemli bir nedenidir.Tesla'nın Model 3'ten başlayarak kalıcı mıknatıs DC motoruna geçtiğini ve sonunda bu motoru diğer modellerde de benimsediğini belirtmekte fayda var. Veriler, Model 3'te kullanılan kalıcı mıknatıs motorunun, daha önce kullanılan indüksiyon motorundan yaklaşık %6 daha verimli olduğunu gösteriyor.

Malzeme Perspektifinden:

"Nadir toprakları çıkarma" ile ilgili olarak, şu anda en belirgin alternatif malzeme "ferrit"tir. Demir ve oksijenden oluşan, az miktarda metal ile karıştırılmış bu seramik, mıknatıslar üretebilir. Ucuz ve üretimi kolaydır.

Ancak, ferrit her zaman nadir toprak NdFeB için düşük kaliteli bir ikame olmuştur. Performansı, hacmi ve diğer yönleri NdFeB seviyeleriyle eşleşmesi zordur. Araçlardaki bazı mikro motorlarda kullanılabilir. Samaryum-kobalt (SmCo) kalıcı mıknatıslara gelince, bunlar kendileri nadir toprak elementi samaryum içerir ve radyoaktiftir. Şu anda sadece askeri, havacılık ve benzeri alanlarda kullanılmaktadır. Bunları NEV'lerde değiştirmek ters etki yaratacaktır.Şu anda, birkaç üretici nadir toprak içermeyen seçenekleri araştırmaya başladı. Ancak, ister startup Niron'un nitrojen-demir mıknatısları olsun, ister manganez içeren başka bir yüksek manyetik kuvvetli malzeme olsun, hiçbiri ideal bir formda uzun süre üretilemez ve korunamaz. Hatta DA Technology ve Koreen tarafından başarıyla üretilen daha önce bildirilen prototip manganez-bizmut (Mn-Bi) mıknatısları bile şu anda sadece performans doğrulama ve iyileştirme çalışmalarından geçiyor.

Açıkça görülüyor ki, NEV endüstrisinin düşük maliyet ve yüksek verimlilik arayışı, çözülmemiş teknik zorluklarla birleştiğinde, nadir toprak kaynaklarından tamamen kurtulmak imkansız olmasa da, kısa vadede ulaşılamaz. En azından Çin'de, nadir toprak motorları, öngörülebilir gelecek için araç uygulamaları için ana akım yön olmaya devam edecek.