Vì sao 'đất hiếm' quan trọng trong sản xuất pin EV?

“Đất hiếm” là gì?

Một số người nghĩ rằng việc sử dụng đất hiếm có vấn đề, đặc biệt là do việc khai thác chúng thường không có trách nhiệm với môi trường. Hơn nữa, các điều kiện khai thác gây ô nhiễm đến mức Trung Quốc nắm giữ gần 80% thị trường thế giới. Không chỉ thế, tinh chế chúng là cực kỳ ô nhiễm. Nó giải phóng chất thải độc hại và thậm chí cả phóng xạ.

Chúng ta hãy bắt đầu với một định nghĩa ngắn gọn về “đất hiếm”. Cái tên “đất hiếm” xuất phát từ việc chúng được phát hiện vào cuối thế kỷ 18 trong quặng (do đó có tên là “đất”), loại quặng này không phổ biến vào thời điểm đó và rất khó để tách chúng ra bằng kỹ thuật.

Đất hiếm là 17 kim loại: scandium, yttrium, 15 lanthanide (Lanthanum, Cerium, Praseodymium, Neodymium, Promethium, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium, và Lutecium).

Trái ngược với tên gọi “đất hiếm”, những kim loại khá dồi dào trong vỏ Trái đất này lại tồn tại với nồng độ thấp trong quặng, đặc biệt là trường hợp của lanthanum, neodymium, cerium chiếm 90% sản lượng đất hiếm trên thế giới. Được sử dụng nhiều nhất là cerium (40,2% lượng đất hiếm được tiêu thụ), lanthanum (27,8%) và neodymium (17,6%).

Trái ngược với cái tên “đất hiếm”, sự phong phú của đất hiếm trong lớp vỏ Trái đất lớn hơn nhiều so với nhiều kim loại thường được sử dụng khác. Nồng độ của chúng cao gấp ba lần so với đồng và hai lần so với kẽm, hai kim loại được sử dụng rộng rãi, dùng trong công nghiệp và có mặt trong nhiều loại hàng hóa thông dụng.

Nói cách khác, trữ lượng có thể khai thác của đất hiếm ít quan trọng hơn nhiều so với trữ lượng của nhiều kim loại chiến lược khác. Một số kim loại khác như lithium và coban được sử dụng trong pin lithium-ion không phải là đất hiếm.

Tìm “đất hiếm” ở đâu?

Trên thực tế, điều làm cho chúng trở nên hiếm là sự phân bổ cục bộ của các mỏ có thể khai thác kinh tế, vì tình trạng gần như độc quyền hiện nay liên quan đến Trung Quốc về việc khai thác và biến đổi chúng. Trung Quốc nắm giữ khoảng 90% sản lượng đất hiếm của thế giới.

Trong lịch sử, những mỏ đất hiếm đầu tiên vào những năm 1940 được đặt tại Brazil và Ấn Độ.

Sau khi phát hiện ra các mỏ lớn ở Nam Phi vào những năm 1950, quốc gia này là nhà sản xuất chính cho đến đầu những năm 1970 khi các mỏ mới được mở ở Mỹ và đặc biệt là Úc.

Sau đó, vào những năm 1980, Trung Quốc bắt đầu sản xuất đất hiếm và bán phá giá, điều này cuối cùng dẫn đến việc đóng cửa các hoạt động chính khác của thế giới do không có khả năng sinh lời.

Đầu những năm 2000, Trung Quốc gần như độc quyền sản xuất với thị phần gần 90%. Sau đó, họ quyết định giảm hạn ngạch xuất khẩu, khiến giá tăng và mở hoặc mở lại các mỏ mới trên thế giới, tại Mỹ (California), Úc, Thụy Điển, Brazil, Việt Nam, Nga…

Vào năm 2017-2018, một trong những khoản tiền gửi lớn nhất hành tinh, khoản tiền gửi Gakara ở Burundi, đã bắt đầu hoạt động.

Trung Quốc, mặc dù vẫn là nhà sản xuất đất hiếm lớn nhất thế giới, nhưng không nắm giữ phần lớn trữ lượng, chỉ chiếm 30 đến 40% trong số đó theo ước tính. Brazil (với trữ lượng ước tính 22 triệu tấn, hơn một nửa của Trung Quốc), Ấn Độ, Mỹ, Canada, Nga, Úc, Nam Phi, Việt Nam, Thái Lan và một số quốc gia ở Đông Phi, trong số những quốc gia khác, có trữ lượng đáng kể.

Năm 2018, Cơ quan Khảo sát Địa chất Mỹ (USGS) ước tính rằng trữ lượng oxit đất hiếm của thế giới lên tới 130 triệu tấn cho sản lượng hàng năm vào năm đó là 170.000 tấn.

Tóm lại, đất hiếm không hiếm chút nào, trữ lượng thế giới nhiều, phân bổ khắp 5 châu, lâu dài không sợ thiếu.

Nếu Trung Quốc nắm giữ phần lớn sản lượng, đó chỉ là do nước này bán phá giá. Nhưng sự tăng trưởng về nhu cầu đã bắt đầu đảo ngược xu hướng và nhiều mỏ mới đang mở ra trên khắp thế giới.

Vai trò của “đất hiếm”

Đất hiếm chủ yếu được sử dụng trong các ứng dụng như sản xuất nam châm vĩnh cửu, dùng để giảm khối lượng và trọng lượng của động cơ điện và máy phát điện, bộ chuyển đổi xúc tác cho ô tô, cracking dầu mỏ…, đánh bóng kính, sản xuất pin, một số hợp kim luyện kim, công nghiệp thủy tinh, gốm sứ (nhuộm màu, tẩy màu…) v.v… Không chỉ thế, chúng còn được sử dụng trong lĩnh vưc y tế, năng lượng hạt nhân, quốc phòng…

Nếu như khi bắt đầu khai thác, đất hiếm được sử dụng để sản xuất gạch, hợp kim chịu lửa và thuốc nhuộm cho các đồ vật bằng đất nung, thì việc sản xuất đã bắt đầu từ những năm 60 với việc sử dụng chúng trong các ống tia âm cực của tivi màu.

Ngày nay, các đặc tính điện tử, từ tính, xúc tác, quang học, phát quang và cơ học của chúng khiến chúng trở thành “mỏ vàng” cho ngành công nghệ.

Đất hiếm có thể được tìm thấy trong màn hình phẳng, đèn tiết kiệm năng lượng, đèn LED, lazer, radar, ổ cứng máy tính, vây động cơ phản lực, máy bơm nhiệt và hệ thống điều hòa không khí, ứng dụng điện lạnh, một số tấm quang điện, đánh bóng kính, một số loại động cơ điện, làm chất xúc tác trong ngành công nghiệp lọc dầu và hóa dầu và trong bộ chuyển đổi xúc tác cho xe có động cơ đốt trong… tóm lại là trong rất nhiều ứng dụng công nghiệp.

26% đất hiếm được sử dụng trên toàn thế giới làm chất xúc tác trong ngành dầu khí và trong bộ chuyển đổi xúc tác cho ô tô động cơ đốt trong.

Khoảng 20 đến 23% được sử dụng trong sản xuất nam châm vĩnh cửu cho động cơ điện. Ưu điểm của nam châm đất hiếm là khối lượng và trọng lượng cần thiết để có hiệu suất từ tính tương đương thấp hơn nhiều so với nam châm được chế tạo bằng công nghệ khác.

Đất hiếm và EV

15 năm trước, những chiếc xe hybrid đầu tiên, đáng chú ý là Toyota Prius và Honda, được trang bị pin NiMH (Nickel Metal Hydride) có điện cực âm (cực dương) được làm bằng hợp kim lantan-pentaniken (LaNi5).

Những cục pin này trong thế hệ xe hybrid đầu tiên chứa khoảng 10 kg lantan, một loại đất hiếm. Tuy nhiên, ngày nay công nghệ pin này đã được thay thế bằng dòng pin lithium-ion (Li-ion) với hiệu suất cao hơn rất nhiều.

Trong khi một số xe hybrid của Toyota được bán ở châu Âu vẫn được trang bị pin NiMH, thì phần lớn xe hybrid và xe điện ngày nay được trang bị pin Li-ion… không chứa đất hiếm.

Tất nhiên, chúng có chứa lithium, coban và niken, nhưng như đã đề cập ở trên, những kim loại này không phải là đất hiếm và không gây ra những vấn đề tương tự.

Đất hiếm không có, hoặc chỉ với một lượng rất nhỏ (có thể là chất phụ gia), trong thành phần của pin Lithium-ion (Li-ion), Natri sunfua (NaS) và axit chì (PbA), là những phổ biến nhất. Chỉ có pin niken-hydrua kim loại (NiMH) bao gồm hợp kim đất hiếm ở cực âm. Những loại pin này chủ yếu được sử dụng trong xe hybrid và thiết bị điện cầm tay, nhưng việc sử dụng chúng để lưu trữ năng lượng tái tạo sẽ vẫn còn rất ít, chủ yếu là do chi phí cao so với pin Li-ion, có đặc điểm và hiệu suất phù hợp hơn với mục đích sử dụng này.

Tiềm năng tăng trưởng trong trung hạn của xe điện và nam châm mới có thể thúc đẩy nhu cầu về các nguyên tố đất hiếm lên mức chưa từng thấy trước đây. Đạt được sản xuất an toàn và bền vững bên ngoài Trung Quốc phải là ưu tiên hàng đầu và trung tâm trong suy nghĩ của người dùng cuối.

Khoảng 73% các nguyên tố đất hiếm được sử dụng trong các ngành công nghiệp trưởng thành, bao gồm thủy tinh, gốm sứ và luyện kim. 27% còn lại được sử dụng để sản xuất nam châm mới, là thành phần thiết yếu trong xe điện (EV).

Sử dụng lực được tạo ra khi hai nam châm có cực đối diện đẩy nhau, động cơ điện sử dụng nam châm vĩnh cửu và cuộn dây đã được từ hóa bằng điện để đẩy một trục. Lực (mô-men xoắn) của trục quay được sử dụng để cung cấp năng lượng cho bánh xe ô tô điện.

Động cơ điện dựa trên cảm ứng, không sử dụng nam châm vĩnh cửu, cũng có thể cung cấp năng lượng cho EV. Tuy nhiên, chúng là một giải pháp không phổ biến so với những người anh em họ từ tính của chúng. Tesla, một trong những công ty duy nhất không sản xuất động cơ cảm ứng, đã sử dụng động cơ từ tính trong Model 3 mới của mình.

Cường độ của nam châm thường được đo bằng lực cưỡng bức và mật độ từ thông của nó. Trong số bốn loại nam châm chính, những loại được làm từ neodymium đất hiếm có tỷ lệ kháng từ cao nhất, trong khi vẫn giữ được mật độ từ thông tương tự như các loại nam châm kém mạnh hơn. Sự kết hợp này làm cho chúng trở nên hoàn hảo cho xe điện công suất cao.

Hạn chế của nam châm neodymium đơn giản là nhiệt độ hoạt động thấp. Điều này có nghĩa là chúng mất từ tính ở nhiệt độ khoảng 60–80°C, giống như nhiệt độ được tìm thấy trong động cơ điện. Để giảm thiểu vấn đề này, có thể thêm nguyên tố đất hiếm dysprosium, hoặc hiếm hơn là terbium, làm tăng nhiệt độ hoạt động lên trên 160°C.

Dysprosium, cùng với nguyên tố đất hiếm praseodymium, cũng có thể làm tăng lực kháng từ của nam châm, khi được tạo hợp kim với neodymium. Vì lý do này, nam châm mới cho EV có xu hướng bao gồm khoảng 24% neodymium, 7,5% dysprosium và 6% praseodymium.

Mật độ dự án đất hiếm lớn nhất là ở Australia. Nhà thám hiểm người Úc Northern Minerals chuẩn bị mở nhà máy thử nghiệm tại Browns Range, trong nỗ lực trở thành nhà sản xuất dysprosium lớn nhất bên ngoài Trung Quốc.

Ở những nơi khác tại Australia, Alkane Resources, trực thuộc công ty con Australia Strategy Materials, đã hoàn thành nghiên cứu khả thi tại Dubbo, New South Wales. Ngoài ra còn có hành động ở Bắc Úc, nơi Arafura Resources sở hữu và điều hành dự án đất hiếm Nolans trên một mỏ praseodymium lớn.

Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) dự báo số lượng xe điện sẽ tăng từ 3,1 triệu vào năm 2017 lên 125 triệu vào năm 2030. Với một chiếc xe chạy hoàn toàn bằng điện cần từ 1kg đến 2kg nam châm mới, với 0,42kg đối với các biến thể hybrid, thị trường sẽ mở rộng ồ ạt trong thập kỷ tới. Nhu cầu về Dysprosium đối với xe điện năm 2017 vào khoảng 180–360 tấn.

Nếu dự báo của IEA là đúng, thì nhu cầu về dysprosium trong xe điện sẽ đạt 6.000–13.000 tấn vào năm 2030, trong khi neodymium sẽ tăng từ 582–1.162 tấn vào năm 2017, lên 20.000–40.000 tấn vào năm 2030. Praseodymium sẽ tăng từ 150–300 tấn vào năm 2017 lên 5.000–10.000 tấn vào năm 2030.

Điều đó cho thấy rằng, lượng nguyên tố đất hiếm cần thiết cho mỗi EV khó có thể duy trì ổn định và có thể sẽ giảm xuống khi công nghệ được cải thiện. Mặc dù vậy, một ngành công nghiệp EV trưởng thành thể hiện sự tăng trưởng đáng kinh ngạc về nhu cầu đất hiếm. Do xuất khẩu đất hiếm của Trung Quốc đang giảm dần, nhu cầu này có thể khó đáp ứng trong trung hạn.

Hoàng Lâm