芯耀
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作者：徐姍姍，編輯：李墨天
今年6月，鈴木汽車突然宣布，受限于稀土出口管制，零部件采購出現(xiàn)延誤，經(jīng)典緊湊型轎車鈴木雨燕（Swift）被迫停產(chǎn)。
無獨(dú)有偶，歐洲汽車零部件供應(yīng)商也在同時(shí)期關(guān)閉生產(chǎn)線，美國企業(yè)同樣如臨大敵，福特探險(xiǎn)者車型生產(chǎn)緊急按下暫停鍵。
在電動車中，從車燈、雨刮器、攝像頭，到安全帶、音響，凡是需要微電機(jī)和傳感器的部件，稀土幾乎不可或缺。尤其主驅(qū)動電機(jī)，其性能與稀土永磁材料息息相關(guān)。
即便在舊能源汽車中，電動助力轉(zhuǎn)向（EPS）也離不開稀土。
按照大摩的測算，中國企業(yè)控制全球65%的重稀土開采、88%的精煉，超過90%的釹鐵硼永磁體供應(yīng)。這也是為什么CNN將稀土引發(fā)的供應(yīng)危機(jī)稱為“升級版的芯片短缺”[1]。
2010年日本巡邏船釣魚島沖撞中國漁船事件發(fā)生后，中國對日稀土出口配額驟降，主要稀土氧化物價(jià)格漲幅超過5倍，鏑鋱銪三種金屬漲幅同比達(dá)到15-20倍[4]，歐美國家一時(shí)草木皆兵。
從2011年開始，美日等國就以擺脫依賴為目的開啟了一系列替代計(jì)劃。當(dāng)時(shí)普遍預(yù)計(jì)，防止稀土危機(jī)再次到來普遍需要10年左右。
15年過去，稀土危機(jī)再次上演，按照美國能源部的測算，重建完整稀土供應(yīng)鏈依然需要10年時(shí)間?？磥須v史有時(shí)候真的會重演。
稀土不是真的土
2016年Model 3上市，在電池容量比Model S 100D少了20度的情況下，續(xù)航相差無幾。馬斯克將其歸功于碳化硅MOSFET，但特斯拉首席電機(jī)設(shè)計(jì)師Konstantinos Laskaris認(rèn)為功勞是自己部門的[2]：
我們的Model 3有一臺永磁電機(jī)，它可以在兼顧續(xù)航里程和性能目標(biāo)的同時(shí)，做到成本最小化。
2021年，搭載三臺永磁電機(jī)的Model S Plaid上市，零百加速只需要2.1秒。馬斯克在發(fā)布會現(xiàn)場難掩得意，將其形容為“物理工程的極限”。
但無論是Model 3的續(xù)航還是Model S的加速，都要?dú)w功于一種名為釹的稀土元素。
主流的驅(qū)動電機(jī)有兩種：永磁同步電機(jī)和感應(yīng)異步電機(jī)，兩者的結(jié)構(gòu)大同小異，工作原理也沒有脫離磁鐵的原理：同性相斥，異性相吸。
但相比感應(yīng)電機(jī)，永磁電機(jī)不僅功率密度更高，輸出轉(zhuǎn)矩也更大。不但動力輸出更強(qiáng)，體積也可以做到更小。
永磁電機(jī)中廣泛使用的釹鐵硼俗稱“萬磁王”，屬于地表磁性最強(qiáng)的磁體，讓電機(jī)最高效率可以無限接近99%。普通的N35牌號（數(shù)字代表磁能積/磁力強(qiáng)度），可以吸附自身重量600倍以上的金屬。
這就是天賦與努力之間的差距。賽博坦星能提煉出稀土，變形金剛也得電動化轉(zhuǎn)型。
釹的發(fā)現(xiàn)可以追溯到1841年，瑞典化學(xué)家Gustav Mosander將自己發(fā)現(xiàn)的鐠釹化合物命名為“迪迪姆”（Didymium，希臘語“雙胞胎”）。
1885年，奧地利化學(xué)家Carl von Welsbach又成功完成鐠釹分離手術(shù)。百年后，釹在電動車產(chǎn)業(yè)里大放異彩。
稀土實(shí)際上是17種金屬元素的統(tǒng)稱，身世頗為坎坷，從發(fā)現(xiàn)第一個元素釔到最后一個元素钷，化學(xué)界用了整整153年。
1966年，RCA在顯像管電視中采用稀土紅色熒光粉，開啟了稀土的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。此后，大部分電子和汽車零部件都廣泛運(yùn)用了稀土元素，但由于用量有限，導(dǎo)致稀土的戰(zhàn)略地位非常高，市場規(guī)模卻很有限。
隨著新能源車的滲透，稀土的用量大幅提高。一般來說，一輛電動車會使用1.5–3kg稀土。加上永磁同步電機(jī)的裝機(jī)量份額高達(dá)96%，讓釹鐵硼永磁體的戰(zhàn)略地位進(jìn)一步提高。
而針對釹鐵硼永磁體耐熱性較差、高溫易退磁的特點(diǎn)，解決方案通常是在配方中添加鏑或鋱。
舉例來說，通用基于奧特能平臺的SUV，每輛要使用約160克鏑[3]，用量看著不多，但相比電子產(chǎn)品不算少。
CNN將稀土稱為中國的“Powerful card”，是因?yàn)槎笞×岁P(guān)鍵原材料等同扼住汽車生產(chǎn)的咽喉。只是如今因稀土焦頭爛額的美國，曾經(jīng)也是一個稀土生產(chǎn)大國。
曾經(jīng)的優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)
今年4月《福布斯》雜志發(fā)文，標(biāo)題風(fēng)格非常標(biāo)題黨：美國唯一的稀土礦將從關(guān)稅中大獲全勝。
所謂“唯一的稀土礦”，指的是位于加州的芒廷帕斯（其實(shí)就是Mountain Pass的音譯）礦，屬于老天爺賞飯吃的典型：上世紀(jì)30年代發(fā)現(xiàn)了金礦，在勘探鈾礦的過程中，又發(fā)現(xiàn)了世界級的稀土礦藏。
后來，美國鉬業(yè)公司（Molycorp）拿到采礦權(quán)，成功分離出稀土元素銪，在彩電革命中大賺特賺。1965到1995年間，芒廷帕斯供應(yīng)了全球大部分稀土金屬，整整躺贏了30年。
和石油不同，稀土的壁壘不在開采，而在加工環(huán)節(jié)。從開采到利用，稀土的鏈條大致分為幾個步驟：選礦產(chǎn)出精礦-分離出稀土氧化物-冶煉分離單一金屬-加工成為功能材料。
稀土元素的化學(xué)性質(zhì)十分接近，15種鑭系元素更是孿生兄弟，分離提純很難。同時(shí)，稀土的分離還要盡量剔除伴生雜質(zhì)元素，純度直接影響下游材料性能。
因此與芯片類似，在稀土行業(yè)，越是接近最終產(chǎn)品，創(chuàng)造的附加值越高。提煉高純單一的稀土金屬，是整個鏈條中最核心的環(huán)節(jié)。
換句話說，大部分國家缺的不是礦，而是生產(chǎn)加工能力。
1999年，中國開始針對稀土出口施行配額制，其核心并非出口規(guī)模，而是對出口結(jié)構(gòu)的有意識引導(dǎo)，即限制初級產(chǎn)品的出口，推動下游環(huán)節(jié)高附加值產(chǎn)品的出口，倒逼企業(yè)轉(zhuǎn)向以提純?yōu)榇淼母吒郊又淡h(huán)節(jié)。
目前，國內(nèi)稀土元素已經(jīng)可以提純到6N（99.9999%）的超高純級別，美國還在攻堅(jiān)2N-3N級別。加工工藝的鴻溝直接帶出一個問題：美國的稀土精礦需要運(yùn)到中國加工，再返銷回美國。
按照美國戰(zhàn)略與國際研究中心（CSIS）的說法，中國稀土精煉產(chǎn)量占全球份額達(dá)到92%，重稀土精煉產(chǎn)能更是高達(dá)99%[5]。
以永磁電機(jī)中的釹鐵硼永磁體為例，其中釹是輕稀土，鏑是重稀土。鏑作為添加劑，純度至少要達(dá)到3N。
海外稀土產(chǎn)業(yè)面對的另一個問題是：一些技術(shù)環(huán)節(jié)并非只有中國掌握，但只有中國掌握了規(guī)?；a(chǎn)，做成了萬噸級生產(chǎn)線。
除了有意識引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)向高附加值環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)移，國內(nèi)政策也在有意推動行業(yè)的整合。2011年，工信部提出了“1+5”方案，即“北方一家南方五家”的規(guī)劃，并在2014年相繼完成備案。
2021年，在國資委的主導(dǎo)下，六家稀土集團(tuán)又整合為四家。2023年再次整合，形成了北方稀土和中國稀土兩家公司。在不到十年的時(shí)間里迅速完成了行業(yè)整合，規(guī)模優(yōu)勢和議價(jià)能力得以顯現(xiàn)。
這種情況下，即便海外公司突破技術(shù)壁壘，也難以形成規(guī)模優(yōu)勢。
2010年中國對日稀土限供后，因?yàn)樘潛p停產(chǎn)芒廷帕斯礦的Molycorp獲得日本住友1.3億美元注資，重啟了稀土生產(chǎn)。但伴隨中國放寬稀土出口配額，稀土價(jià)格暴跌，芒廷帕斯礦于2015年再次破產(chǎn)。
2017年，一家名為MP Materials的公司收購了閑置的芒廷帕斯礦。目標(biāo)是構(gòu)建從稀土開采到精煉再到磁鐵生產(chǎn)的垂直整合優(yōu)勢，重振美國的稀土產(chǎn)業(yè)。
由于精礦依然需要運(yùn)到中國進(jìn)行分離，直到2024年，芒廷帕斯礦仍有80%的營收來自向中國出售精礦。
缺失的三角關(guān)系
2023年3月投資者日上，馬斯克高調(diào)宣布要減少75%的碳化硅用量，并徹底拋棄稀土永磁體，制造一款不含稀土的永磁電機(jī)。
這兩張大餅在馬斯克的畫餅生涯中存在感較低，但從2017年到2022年，特斯拉通過提高傳動系統(tǒng)的效率，將Model 3電機(jī)里的稀土使用量減少了25%。
馬斯克的執(zhí)著固然有成本因素——永磁同步電機(jī)中，稀土永磁體的成本約占30%，前提是稀土價(jià)格不漲，出口不受限制。但也有供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)的考量。
特斯拉的Roadster與Model S最初都使用感應(yīng)電機(jī)，原因就在于永磁電機(jī)對海外供應(yīng)鏈的依賴。無獨(dú)有偶，豐田最初也抱有同樣想法，曾向特斯拉慷慨解囊6000萬美元，代為研發(fā)感應(yīng)電機(jī)。
但從Model 3開始，特斯拉還是出于性價(jià)比的考慮，義無反顧用上了永磁電機(jī)。
除了稀土永磁，鐵氧體永磁也能用于電機(jī)，而且成本更低，但性能遠(yuǎn)不及稀土永磁體。即便性能最好的鐵氧體，磁能積也大幅落后于釹鐵硼[8]。
上一個讓特斯拉欲罷不能的材料是石墨。4680電池因采用硅碳負(fù)極，差點(diǎn)把石墨掃進(jìn)歷史的垃圾堆。但事實(shí)證明，替代石墨任重道遠(yuǎn)，也只有中國能夠生產(chǎn)滿足特斯拉標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)模的石墨。
不久前，加拿大負(fù)極材料制造商Graphite One貼心為美國政府算了一筆賬，只需投入50.5億美元，其就能為美國打造一條石墨供應(yīng)鏈，但石墨精礦投產(chǎn)時(shí)間被鎖定在2030年。
作為一個上游產(chǎn)業(yè)，無論規(guī)模還是技術(shù)含量，往往都需要下游產(chǎn)業(yè)的規(guī)模與附加值推動。特斯拉作為美國電動車獨(dú)苗，多少有些獨(dú)木難支。
釹鐵硼永磁體最早由日本住友（后被日立金屬收購）和通用汽車分別開發(fā)，雙方曾為專利對簿公堂，最后達(dá)成交叉授權(quán)。但和豐田普銳斯的暢銷不同，美國汽車工業(yè)對電動化性質(zhì)寡淡，客觀導(dǎo)致永磁體缺乏下游訂單。
后來，通用汽車的永磁體業(yè)務(wù)被中國公司收購，專利大戰(zhàn)主角也變成了中國磁材聯(lián)盟和日立金屬。2016年，日立金屬的兩項(xiàng)燒結(jié)釹鐵硼專利被美國專利商標(biāo)局裁定無效，專利特權(quán)的故事逐漸翻篇。
不過，當(dāng)時(shí)中國的釹鐵硼磁材產(chǎn)量雖然占據(jù)全球的80%，但大多為中低端產(chǎn)品。
2020年后，中國新能源汽車開始提速發(fā)展，進(jìn)一步推動稀土產(chǎn)業(yè)鏈升級。到2022年，中國高性能磁體出口量提升到了全球的70%。
這個過程中，“稀土礦開采-精煉加工-新能源汽車”組成了穩(wěn)固的三角關(guān)系，稀土生產(chǎn)大國變成了稀土消費(fèi)大國，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)循環(huán)。
目前，全球釹鐵硼磁鐵生產(chǎn)商集中在中國和日本。去年，日本國內(nèi)生產(chǎn)了4500噸釹鐵硼磁體，自給率可以達(dá)到60%[6]，但原料還依賴中國供應(yīng)鏈。
作為對比，中國全年釹鐵硼產(chǎn)量超過30萬噸，大部分產(chǎn)能都被以新能源車為代表的下游產(chǎn)業(yè)消化，其余出口海外。
綠牌的含金量，又在此刻提高了。
參考資料
[1]?Rare earths shortage could cause pandemic-era disruptions, experts say，CNN
[2]?Tesla’s top motor engineer talks about designing a permanent magnet machine for Model 3，Charged EVs
[3]?Goodbye to China’s total control – the Asian giant loosens its grip on rare minerals, and GM and Ford celebrate the change，El Adelantado de Segovia
[4]?2011年中國稀土產(chǎn)業(yè)在震蕩中前行，新華網(wǎng)
[5]?The Consequences of China’s New Rare Earths Export Restrictions，CSIS
[6]?Japan Neodymium Iron Boron Magnet Market to Hit Valuation of US$ 1,211.92 Million By 2033， Astute Analytica
[7]?30年巨變，中國釹鐵硼的戰(zhàn)略之路，新材料在線
[8]?What Is Tesla’s Mystery Magnet，IEEE Spectrum
編輯：李墨天
責(zé)任編輯：徐珊珊
