Vì sao đất hiếm nặng trở thành điểm nghẽn
Nam châm nằm ở trung tâm của động cơ xe điện và xe hybrid. Loại nam châm thương mại mạnh nhất là nam châm neodymium-sắt-bo. Chúng tạo mô-men xoắn cao trong các động cơ nhỏ gọn. Tuy nhiên, có một hạn chế: nam châm neodymium bắt đầu mất từ tính ở nhiệt độ cao. Để chống lại nhiệt, các nhà sản xuất thường bổ sung một lượng nhỏ nguyên tố đất hiếm nặng, chủ yếu là dysprosium và terbium. Cả hai nguyên tố đều làm tăng lực kháng từ, tức khả năng chống khử từ, giúp nam châm giữ được từ trường khi động cơ kéo nóng lên.
Nội dung
Nguồn cung đất hiếm nặng tập trung ở một số nơi. Trung Quốc khai thác phần lớn quặng đất hiếm trên thế giới, tinh luyện phần lớn oxit và kim loại đất hiếm, đồng thời sản xuất khoảng 90% lượng nam châm dùng trong ô tô và thiết bị điện tử, theo các khảo sát ngành và tin tức gần đây. Khi các hạn chế xuất khẩu được siết chặt, chuỗi cung ứng nhanh chóng chịu tác động. Trong những tháng gần đây, các hãng ô tô chạy đôn chạy đáo tìm nguồn vật liệu nam châm dự phòng. Suzuki Motor tạm thời ngừng hoạt động một số dây chuyền lắp ráp do thiếu đầu vào, còn các nhà cung cấp cảnh báo nguy cơ thiếu hụt giống cuộc khủng hoảng chip. Reuters mô tả các hãng ô tô và nhà sản xuất phụ tùng đang hoảng loạn trước những nút thắt nguồn cung đất hiếm.
Nam châm mới của Nhật Bản hứa hẹn điều gì
Các chuyên gia vật liệu Nhật Bản đang tìm cách phá vỡ mối liên hệ giữa hiệu suất động cơ và kim loại đất hiếm nặng. Proterial, trước đây là Hitachi Metals, cho biết đã phát triển nam châm neodymium cho động cơ kéo, duy trì hiệu suất mà không cần bất kỳ nguyên tố đất hiếm nặng nào. Công ty cho biết việc kiểm soát chặt tạp chất và cấu trúc vi mô trong quá trình xử lý giúp tạo ra các cấp nam châm đủ mạnh cho xe điện và xe hybrid.
Thông tin kỹ thuật do các nguồn trong ngành công bố mô tả hai cấp nam châm neodymium thiêu kết mới không sử dụng dysprosium và terbium. Một cấp dành cho động cơ truyền động, hệ thống lái trợ lực điện và máy nén, có mật độ từ thông dư B_r khoảng 1.40 tesla và lực kháng từ nội tại H_cJ ít nhất 1671 kiloampere trên mét. Cấp thứ hai, hướng tới các ứng dụng cần mô-men xoắn cao hơn, nâng B_r lên khoảng 1.42 tesla, với H_cJ từ 1830 kiloampere trên mét trở lên. Nói đơn giản, B_r cho biết lượng từ thông mà nam châm có thể tạo ra, còn H_cJ cho biết mức độ khó khử từ ở nhiệt độ cao.
Proterial cho biết hiện đã có mẫu của cấp nam châm thứ nhất từ dây chuyền sản xuất hàng loạt, còn biến thể chịu nhiệt cao hơn dự kiến sẵn sàng làm mẫu vào tháng 4/2026. Công ty nắm giữ hàng trăm bằng sáng chế liên quan đến nam châm neodymium thiêu kết, đồng thời giới thiệu nghiên cứu về hợp kim từ mềm có từ thông cao, có thể giảm trọng lượng và tổn hao ở một số lõi động cơ. Đối với động cơ kéo, điểm đáng chú ý là loại bỏ đất hiếm nặng trong khi vẫn đạt các ngưỡng quan trọng về mô-men xoắn và nhiệt độ.
Công ty đang chuẩn bị sản xuất trong nước tại Kumagaya, tỉnh Saitama, và Yabu, tỉnh Hyogo. Nếu ký được hợp đồng, đây sẽ là nguồn cung nam châm động cơ kéo nội địa vào thời điểm các hãng ô tô tìm kiếm nguồn cung ít chịu ảnh hưởng hơn trước những thay đổi chính sách ở Bắc Kinh.
Daido Steel ghi nhận tín hiệu ứng dụng ban đầu
Daido Steel và công ty con Daido Electronics đã thương mại hóa nam châm neodymium cho xe hybrid mà không dùng đất hiếm nặng. Phương pháp của họ tinh chỉnh kích thước hạt bên trong nam châm, tạo ra các tinh thể nhỏ hơn nhiều. Điều này làm tăng lực kháng từ và ổn định hiệu suất khi động cơ nóng lên. Honda đã sử dụng các nam châm này trong các mẫu xe hybrid từ năm 2016, lần đầu tiên một hãng ô tô lớn áp dụng công nghệ này.
Tín hiệu nhu cầu đang tăng trở lại. Daido Steel cho biết số yêu cầu từ các hãng ô tô ở Nhật Bản và Mỹ về ứng dụng trên xe hybrid và xe điện chạy pin đã tăng lên. Để đáp ứng các đơn hàng dự kiến, công ty lên kế hoạch đầu tư 5 tỷ yen vào nhà máy Daido Electronics tại Nakatsugawa, tỉnh Gifu. Mục tiêu là nâng công suất hàng tháng lên khoảng 45 tấn vào mùa xuân năm 2026 và khoảng 150 tấn trong năm tài khóa 2030.
Công ty cũng đang phát triển công nghệ nam châm biến dạng nóng không dùng đất hiếm nặng, đồng thời giảm mức tiêu thụ điện trong sản xuất so với quy trình thiêu kết thông thường. Công nghệ này có thể giảm lượng khí thải carbon tại nhà máy và hạn chế mức độ phụ thuộc vào những phân khúc khan hiếm nhất của thị trường đất hiếm. Daido Electronics đang mở rộng sản xuất và hỗ trợ khách hàng tại Nhật Bản, Thái Lan, Trung Quốc và Mỹ, trong đó có kế hoạch sản xuất nam châm động cơ kéo ở Ohio.
Nam châm mới có chịu được nhiệt tải của xe điện?
Động cơ kéo trên xe gia đình có thể đạt nhiệt độ bên trong cao hơn nhiều so với 150 độ C, còn các điểm nóng cục bộ có thể nóng hơn nữa khi xe leo dốc cao hoặc tăng tốc liên tục. Nhiệt làm giảm từ tính của nam châm và có thể gây mất từ tính không hồi phục nếu lực kháng từ nội tại không đủ cao. Việc bổ sung đất hiếm nặng làm tăng H_cJ, đó là lý do chúng trở thành thành phần tiêu chuẩn trong các cấp nam châm chịu điều kiện khắc nghiệt nhất.
Proterial cho biết đã đạt mức H_cJ và B_r phù hợp mà không cần dysprosium hay terbium nhờ kiểm soát tạp chất và định hướng cấu trúc trong quá trình thiêu kết. Các nhà phân tích hoan nghênh tiến triển này nhưng sẽ chờ xác nhận từ bên thứ ba. Hiệu suất cần được duy trì qua hàng nghìn chu kỳ nhiệt, trong toàn bộ dải tốc độ và tải trọng, cũng như sau khi tiếp xúc với độ ẩm và sương muối. Các ý kiến ban đầu trong ngành cũng đặt câu hỏi liệu nam châm mới có đạt hoặc vượt các cấp tốt nhất chứa dysprosium về cả hiệu suất lẫn chi phí hay không.
Các kỹ sư sẽ kiểm tra những gì
Các nhóm thiết kế sẽ lập đường cong khử từ đầy đủ ở nhiệt độ vận hành, sau đó kiểm tra mức mất từ tính không hồi phục sau các tình huống quá tải. Họ sẽ đối chiếu mô-men xoắn và hiệu suất với cấu hình máy phát điện và bộ biến tần, chứ không chỉ đánh giá riêng đặc tính của nam châm. Độ bền cơ học cũng rất quan trọng. Cấp nam châm, hình dạng, lớp phủ, chất kết dính và ống bọc rôto đều phải chịu được ứng suất nhiệt và cơ học lặp đi lặp lại.
Quá trình xác nhận cũng bao gồm tính ổn định của sản xuất. Một cấp nam châm đạt thông số trong đợt sản xuất thử phải duy trì được điều đó hằng tháng khi sản xuất ở quy mô lớn. Các nhà cung cấp sẽ yêu cầu dữ liệu kiểm soát quy trình thống kê, khả năng truy xuất nguồn gốc và phân tích lỗi từ các thử nghiệm tuổi thọ tăng tốc. Công việc trong phòng thí nghiệm có thể kéo dài vài tháng; sau khi linh kiện được lắp vào xe nguyên mẫu, quá trình này có thể mất một năm hoặc hơn.
Cuộc chạy đua toàn cầu và các lựa chọn thay thế
Chính sách về đất hiếm đã trở thành điểm gây sức ép với ngành ô tô. Trung Quốc kiểm soát phần lớn hoạt động tinh luyện và khoảng 90% sản lượng nam châm. Trong các đợt cấp phép chậm gần đây, một số nhà cung cấp châu Âu đã tạm ngừng dây chuyền, còn một số hãng ô tô cảnh báo nhà máy có thể phải ngừng hoạt động nếu không có nguồn cung nam châm ổn định. Tình hình gợi nhớ cuộc khủng hoảng bán dẫn, thúc đẩy các công ty đa dạng hóa cả công nghệ lẫn địa điểm sản xuất.
Các thiết kế động cơ thay thế là một phần trong giải pháp. Động cơ đồng bộ rôto dây quấn, động cơ cảm ứng và động cơ từ trở chuyển mạch không cần nam châm vĩnh cửu. Một số loại sử dụng nam châm ferrite, nguồn vật liệu dồi dào nhưng lực từ yếu hơn, kết hợp với hình học mới để bù lại hiệu suất. Một số thương hiệu châu Âu đã đưa động cơ không dùng nam châm vào một số mẫu xe. Tesla cho biết cụm động cơ nam châm vĩnh cửu thế hệ tiếp theo sẽ không sử dụng đất hiếm, qua đó thúc đẩy việc tìm kiếm rộng rãi hơn các vật liệu và cấu trúc mới. Nghiên cứu thị trường cho thấy động cơ nam châm vĩnh cửu vẫn chiếm hơn ba phần tư thị phần xe điện trong giai đoạn 2015-2022, trong khi hàm lượng đất hiếm giảm và các lựa chọn thay thế tăng dần.
Các quốc gia ngoài Trung Quốc đang gấp rút lấp khoảng trống nguồn cung. Tại Ấn Độ, các nhà sản xuất động cơ và công ty khởi nghiệp đang cấp phép thiết kế động cơ kéo không dùng nam châm, dựa trên nam châm ferrite và nguyên lý từ trở, trong khi các doanh nghiệp tái chế trong nước tìm cách thu hồi đất hiếm từ rác thải điện tử. Mục tiêu không chỉ là giải pháp tạm thời mà còn là xây dựng chuỗi cung ứng khu vực có thể hỗ trợ các chương trình xe đang phát triển nhanh.
Hoạt động tái chế và các trung tâm xử lý mới đang tăng tốc ở Bắc Mỹ. Cyclic Materials, có trụ sở tại Ontario, đã đạt thỏa thuận bao tiêu đất hiếm tái chế với tập đoàn hóa chất Solvay; Canada cũng đang đầu tư vào năng lực xử lý để cung cấp cho khách hàng ở châu Mỹ và châu Âu. Các lãnh đạo ngành cho biết căng thẳng thương mại đã thúc đẩy kế hoạch xây dựng nguồn cung độc lập. Pat Ryan, CEO của UCore, đã thể hiện quan điểm này trong một tuyên bố gần đây về sự thay đổi chính sách.
