خودروهای الکتریکی (EVs) مسیر آیندهای سازگارتر با محیطزیست را نشان میدهند، اما همچنان نگرانیهایی درباره تأمین برخی از اجزا یا مواد مورد استفاده در این خودروها وجود دارد. با رشد سریع بازار خودروهای الکتریکی، تقاضا برای قطعاتی مانند موتورهای الکتریکی نیز افزایش مییابد. موتورهای الکتریکی نیروی محرکه خودروهای برقی هستند. اما بسیاری از طراحیها از کیلوگرمها مواد مغناطیسی استفاده میکنند. این آهنرباها بهشدت به عناصر کمیاب خاکی مانند نئودیمیم (Neodynium) و دیسپروزیم (Dysprosium) متکی هستند که گرانقیمت بوده، ضایعات زیادی تولید میکنند و مشکلات زیستمحیطی و معدنی متعددی دارند.
عنصر نادر خاکی چیست؟
عناصر خاکی کمیاب (REE)، که با نام فلزات خاکی کمیاب یا بهطور خلاصه خاکهای کمیاب نیز شناخته میشوند و گاهی بهعنوان لانتانیدها یا لانتانوئیدها نامیده میشوند، مجموعهای از ۱۷ فلز سنگین نرم، نقرهای-سفید و درخشان هستند. ترکیبات حاوی عناصر خاکی کمیاب در طیف وسیعی از کاربردها از جمله قطعات الکتریکی و الکترونیکی، لیزرها، شیشه، مواد مغناطیسی و فرآیندهای صنعتی مورد استفاده قرار میگیرند.
عناصر خاکی کمیاب از نظر فنی در سراسر پوسته زمین نسبتاً فراوان هستند. بهعنوان مثال، عنصر سریم بیست و پنجمین عنصر فراوان با غلظت ۶۸ قسمت در میلیون است که حتی از مس نیز فراوانتر است. اما این عناصر معمولاً در مقادیر ناچیز و پراکنده یافت میشوند. بنابراین، برای دستیابی به خلوص قابل استفاده، باید مقادیر عظیمی از سنگ معدن اولیه پردازش شود که هزینه زیادی به همراه دارد، از اینرو نام “کمیاب” برای آنها انتخاب شده است.
به دلیل ویژگیهای شیمیایی، عناصر خاکی کمیاب معمولاً بهصورت پراکنده در طبیعت یافت میشوند و به ندرت بهصورت غلیظ در مواد معدنی خاکی کمیاب حضور دارند. در نتیجه، ذخایر معدنی که از نظر اقتصادی قابل استخراج باشند، بسیار محدود هستند.
محدودیت زنجیره تامین
در مقالات پیشین به محدودیت منابع مورد نیاز برای تولید باتریهای لیتیومی از جمله کبالت، نیکل و لیتیوم بحث شده است. اما زنجیره تأمین عناصر کمیاب خاکی نیز از نظر جغرافیایی بهشدت محدود است. چین بخش عمدهای از تولید جهانی را در اختیار دارد که بهطور تاریخی باعث نوسانات قیمت شده است. در سال ۲۰۱۱، به دنبال افزایش تنش میان چین و ایالات متحده، این کشور صادرات عناصر کمیاب را محدود کرد که منجر به افزایش حدود ۷۵۰ درصدی قیمت نئودیمیم و ۲۰۰۰ درصدی قیمت دیسپروزیم شد. مهمترین عامل حساسیت کشورهای اروپایی و همچنین ایالات متحده نسبت به تسلط چین بر تولید مواد اولیه باتری نیز از همین رویداد ناشی میشود.
علاوه بر مشکلات قیمتی، نگرانیهای زیستمحیطی نیز وجود دارد. عناصر کمیاب از سنگهای معدنی استخراج میشوند که ممکن است حاوی مواد رادیواکتیو مانند توریم باشند. استخراج این عناصر معمولاً از حجم عظیمی از ترکیبات سرطانزا مانند آمونیاک، اسید هیدروکلریک و سولفاتها استفاده میکند. تخمین زده میشود که فرآوری ۱ تن عناصر کمیاب میتواند تا ۲۰۰۰ تن زباله سمی تولید کند.
راهحل چیست؟
موتورهای الکتریکی در انواع مختلفی طراحی میشوند که رایجترین آنها موتورهای مغناطیس دائمی هستند. اما برخی طراحیها نیازی به استفاده از آهنرباهای دائمی (و در نتیجه عناصر کمیاب) ندارند. موتور القایی از یک قفس مسی یا آلومینیومی در روتور خود استفاده میکند. این طراحی توسط تسلا در مدلهای S و X به کار گرفته شده است. برخی دیگر از موتورهای روتور سیمپیچیشده استفاده میکنند که در آن سیمپیچهای مسی روی روتور قرار میگیرند، مانند موتور مورد استفاده در خودروی زوئی رنو. برخی، بهویژه در بخش خودروهای سنگین یا تجاری، به سمت استفاده از موتورهای رلوکتانس سوئیچشونده روی آوردهاند که روتوری از جنس فولاد سیلیکونی دارد و نیازی به آهنربا یا مس ندارد.
معمولاً موتورهای مغناطیس دائمی چگالی توان و بازدهی بهتری ارائه میدهند. به همین دلیل بسیاری از تولیدکنندگان از آنها استفاده میکنند. با این حال، تلاشهایی برای حذف آهنرباها یا حداقل کاهش میزان عناصر کمیاب سنگین در آنها انجام شده است. برخی از تولیدکنندگان مطرح مانند هوندا و نیسان میزان عناصر کمیاب سنگین را کاهش داده یا بهطور کامل حذف کردهاند.
تسلا در رویداد روز سرمایهگذاران ۲۰۲۴ خود اعلام کرد که قصد دارد موتوری الکتریکی به بازار عرضه کند که نیازی به عناصر نادر خاکی ندارد. در حال حاضر، تسلا از این عناصر در موتورهای مغناطیس دائم DC خود استفاده میکند اما در موتورهای القایی AC آنها را به کار نمیگیرد. تسلا تا سال ۲۰۱۷ که مدل ۳ به بازار عرضه شد، از موتورهای مغناطیس دائم DC استفاده نکرده بود. این شرکت در رویداد سرمایهگذاران خود اعلام کرد که از زمان معرفی مدل ۳ تاکنون، میزان استفاده از عناصر نادر خاکی را ۲۵٪ کاهش داده است، در حالی که بازده موتور را افزایش داده است.
وضعیت کنونی چیست؟
با وجود تمام این نگرانیها، بر اساس تحقیقات IDTechEx در سال ۲۰۲۰، حدود ۷۷٪ از خودروهای الکتریکی از موتورهای مغناطیس دائمی استفاده میکردند، رقمی که در پنج سال گذشته نسبتاً ثابت مانده است.
در سال ۲۰۱۸، تسلا برای مدل ۳ خود از موتور مغناطیس دائمی استفاده کرد، در حالی که همچنان موتور القایی را در محور جلوی خودرو حفظ کرد. آئودی نیز در مدل Q4 e-tron خود برای سال ۲۰۲۱ رویکرد مشابهی اتخاذ کرد. یکی از بازیگران کلیدی که اخیراً به طراحی روتور سیمپیچیشده روی آورده، بیامو است که این طراحی را در سیستم محرکه نسل پنجم خود برای خودروهای برقی نسل بعدی از جمله iX3، i4 و مدلهای دیگر به کار گرفته است.
در حالی که در بازار اروپا تفاوتهایی در طراحی موتورهای الکتریکی مشاهده میشود، چین که عمدتاً تأمینکننده عناصر کمیاب است، نگرانی چندانی از نوسانات قیمت ندارد و بعید است که از موتورهای مغناطیس دائمی فاصله بگیرد. با توجه به اینکه چین یکی از بزرگترین بازارهای خودروهای برقی در جهان است، موتورهای مغناطیس دائمی همچنان بخش عمدهای از این صنعت باقی خواهند ماند.
تلاش آمریکا برای رقابت
آمریکا قبلاً تلاشهایی برای افزایش نقش خود در زنجیره تأمین عناصر کمیاب انجام داده است. دولت بایدن این رویکرد را بهعنوان یکی از اولویتهای خود در طرح زیرساختی ۲ تریلیون دلاری قرار داده بود. شرکت MP Materials در سال ۲۰۱۷ یک معدن تعطیلشده در کالیفرنیا را خریداری کرد و در تلاش است تا زنجیره تأمین عناصر کمیاب آمریکا را، با تمرکز بر نئودیمیم و پرزئودیمیم، بازسازی کرده و به ارزانترین تولیدکننده این عناصر تبدیل شود. این شرکت برنامه داشته است تا اهداف خود را تا سال ۲۰۲۵ محقق کند تا برای افزایش تولید خودروهای برقی در آمریکا آماده باشد. شرکت Lynas Corporation نیز بودجه دولتی برای احداث یک کارخانه فرآوری عناصر کمیاب سبک در تگزاس دریافت کرده و همچنین قراردادی برای تأسیس یک مرکز جداسازی عناصر کمیاب سنگین در تگزاس دارد.
چشمانداز آینده
در اتحادیه اروپا، برخی از تولیدکنندگان در تلاش برای کاهش استفاده از عناصر کمیاب، طراحیهای متفاوتی را در موتورهای خود به کار گرفتهاند. اما بهطور کلی شاهد گرایش بیشتر به سمت طراحیهای مغناطیس دائمی به دلیل بازدهی و چگالی توان برتر آنها هستیم.
یکی از مهمترین کاربردهای عناصر خاکی کمیاب (REEs) تولید آهنرباهای دائمی است که تقریباً ۳۰٪ از بازار جهانی این عناصر را تشکیل میدهد. بهطور خاص، آهنرباهای نئودیمیوم-آهن-بور (NdFeB) اجزای حیاتی در موتورهای الکتریکی وسایل نقلیه برقی، توربینهای بادی، هارد دیسکهای کامپیوتری، بلندگوهای صوتی و سایر دستگاههایی هستند که به میدانهای مغناطیسی قوی نیاز دارند.
آهنرباهای NdFeB معمولاً دارای ۲۰ تا ۳۰ درصد عناصر خاکی کمیاب بر اساس جرم هستند که بیشترین مقدار آن را نئودیمیوم (Nd) تشکیل میدهد. بهجای استفاده از نئودیمیوم خالص، معمولاً از آلیاژ NdPr استفاده میشود.. استفاده مستقیم از NdPr در تولید آهنرباهای NdFeB نهتنها هزینههای غیرضروری جداسازی عناصر را کاهش میدهد، بلکه هزینههای اضافی استفاده از Nd خالص را نیز از بین میبرد. همچنین، عناصر خاکی کمیاب سنگین مانند دیسپروزیم (Dy) و تربیوم (Tb) نیز در آهنرباهای NdFeB یافت میشوند. هر دو عنصر Dy و Tb میتوانند بهطور قابلتوجهی مقاومت ذاتی مغناطیسی (Hcj) را افزایش دهند.
ویژگیهای مغناطیسی فوقالعاده آهنرباهای دائمی NdFeB آنها را به اجزایی ضروری برای طراحی موتورهای الکتریکی کارآمد و فشرده تبدیل کرده است. با افزایش تقاضای جهانی برای وسایل نقلیه برقی (EVs) به دلیل گذار به حملونقل پایدار، اهمیت آهنرباهای NdFeB بیشتر شده است. پیشبینی میشود تعداد وسایل نقلیه برقی از تقریباً ۳۰ میلیون دستگاه در سال ۲۰۲۲ به حدود ۲۵۰ میلیون دستگاه در سال ۲۰۳۰ افزایش یابد. در نتیجه، تقاضا برای آهنرباهای NdFeB افزایش خواهد یافت. بهطوری که انتظار میرود تنها در اروپا این تقاضا از ۱۰ هزار تن در سال ۲۰۲۰ به حدود ۶۰ هزار تن در سال ۲۰۵۰ برسد.
با افزایش استفاده از خودروهای برقی و افزایش تعداد خودروهای فرسوده، مسئله بهبود و ارتقای بازیافت آهنرباهای NdFeB از موتورهای الکتریکی بهطور اجتنابناپذیری مطرح خواهد شد. چین، بهعنوان رهبر جهانی در تولید عناصر خاکی کمیاب، جایگاه مسلط خود را حفظ کرده و حدود ۶۰٪ از عرضه جهانی این عناصر را تأمین میکند. اگر محصولات فرآوریشده مانند فلزات خاکی کمیاب و آهنرباهای NdFeB در نظر گرفته شوند، سهم بازار چین به ترتیب به ۹۱٪ و ۹۴٪ میرسد.
نوسانات قیمتی عناصر خاکی کمیاب چالشهایی را برای تولیدکنندگان صنعتی و شرکتهای وابسته به آهنرباهای NdFeB، از جمله صنعت خودروسازی، ایجاد کرده است. با رشد تقاضا برای خودروهای برقی، دسترسی و قیمت مناسب این مواد حیاتی بهعنوان عوامل کلیدی در تضمین یک زنجیره تأمین پایدار و باثبات اهمیت بیشتری پیدا میکنند. بازیافت و بازیابی کارآمد آهنرباهای NdFeB از خودروهای فرسوده میتواند وابستگی به مواد خام استخراجشده را کم کرده و تأثیرات زیستمحیطی ناشی از استخراج و تولید را به حداقل برساند.
پتانسیل بازیافت عناصر نادر خاکی
میزان عناصر نادر موجود از منابع ثانویه بهطور نمایی در حال افزایش است و تخمین زده شده که بازیافت زبالههای حاوی این عناصر میتواند بیش از ۷۵٪ از تقاضای اروپا برای این عناصر را تا سال ۲۰۵۰ تأمین کند. بهطور خاص، در مورد آهنرباهای NdFeB، برخی پژوهشگران برآورد کردهاند که بین ۲۴ تا ۴۸٪ از تقاضای اروپا برای این آهنرباها میتواند از طریق بازیافت محصولات منسوخ و مواد پایان عمر تا سال ۲۰۴۰ تأمین شود.
با این حال، عملکرد کنونی در انتهای عمر محصول نشان میدهد که کمتر از ۱٪ از عناصر نادر در سطح جهانی بازیافت میشود. این ناکارآمدی عمدتاً به دلیل چالشهای جداسازی و بازیابی آنها از زبالههایی است که حاوی آهن، آلومینیوم و مس هستند،.
علیرغم تلاشهای انجام شده برای حذف کاربرد عناصر نادر در موتور الکتریکی بکار رفته در خودروهای برقی، بنظر میرسد که همچنان استفاده از آنها موثرترین راه حل برای تولید موتورهایی با راندمان بالا است. اما راهکار بازیافت این مواد در حال حاضر مناسبترین پاسخ برای افزایش روزافزون نیاز به آن ها در حمل و نقل الکتریکی است. لذا توسعه فرآیندهای کارآمد برای بازیافت عناصر نادر، از زمینههای مهم تحقیقات آیندهی صنعت وسایل نقلیه الکتریکی است.
بیشتر بخوانید:
