ญี่ปุ่นพัฒนาแม่เหล็กสำหรับรถยนต์ไฟฟ้า ลดความเสี่ยงพึ่งพาจีนด้วยการเลิกใช้ธาตุหายากหนัก

เหตุใดธาตุหายากหนักจึงกลายเป็นจุดคอขวด

แม่เหล็กเป็นหัวใจสำคัญของมอเตอร์รถยนต์ไฟฟ้าและรถยนต์ไฮบริด แม่เหล็กเชิงพาณิชย์ที่ทรงพลังที่สุดคือแม่เหล็กนีโอดิเมียม-เหล็ก-โบรอน ซึ่งให้แรงบิดสูงในมอเตอร์ขนาดกะทัดรัด แต่มีข้อเสียคือแม่เหล็กนีโอดิเมียมเริ่มสูญเสียความแรงเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น เพื่อรับมือกับความร้อน ผู้ผลิตจึงเติมธาตุหายากหนักในปริมาณเล็กน้อยมาแต่เดิม โดยหลักคือดิสโพรเซียมและเทอร์เบียม ธาตุทั้งสองช่วยเพิ่มแรงต้านทานการล้างอำนาจแม่เหล็ก ทำให้แม่เหล็กคงสนามแม่เหล็กไว้ได้เมื่อมอเตอร์ขับเคลื่อนทำงานที่อุณหภูมิสูง

อุปทานธาตุหายากหนักกระจุกตัวอยู่ในไม่กี่แหล่ง จากข้อมูลสำรวจอุตสาหกรรมและรายงานข่าวล่าสุด จีนทำเหมืองแร่หายากในสัดส่วนสูงของโลก กลั่นออกไซด์และโลหะส่วนใหญ่ และผลิตแม่เหล็กราว 90 เปอร์เซ็นต์ที่ใช้ในรถยนต์และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เมื่อมาตรการจำกัดการส่งออกเข้มงวดขึ้น ห่วงโซ่อุปทานก็ได้รับผลกระทบอย่างรวดเร็ว ในช่วงหลายเดือนที่ผ่านมา ผู้ผลิตรถยนต์เร่งหาแหล่งวัสดุแม่เหล็กสำรอง ซูซูกิ มอเตอร์ ระงับสายการประกอบบางส่วนชั่วคราวหลังขาดแคลนวัตถุดิบ ขณะที่ซัพพลายเออร์เตือนว่าอาจเกิดภาวะขาดแคลนคล้ายวิกฤตชิป สำนักข่าวรอยเตอร์รายงานว่าผู้ผลิตรถยนต์และชิ้นส่วนต่างตื่นตระหนกอย่างหนักกับปัญหาคอขวดของธาตุหายาก

แม่เหล็กรุ่นใหม่ของญี่ปุ่นให้คำมั่นอะไร

ผู้เชี่ยวชาญด้านวัสดุของญี่ปุ่นกำลังหาทางตัดความเชื่อมโยงระหว่างสมรรถนะของมอเตอร์กับโลหะธาตุหายากหนัก Proterial ซึ่งเดิมชื่อ Hitachi Metals ระบุว่าได้พัฒนาแม่เหล็กนีโอดิเมียมสำหรับมอเตอร์ขับเคลื่อนที่ยังคงสมรรถนะได้โดยไม่ใช้ธาตุหายากหนักเลย บริษัทระบุว่าการควบคุมสิ่งเจือปนและโครงสร้างจุลภาคระหว่างกระบวนการผลิตอย่างเข้มงวด ทำให้ได้แม่เหล็กหลายเกรดที่มีความแรงเพียงพอสำหรับรถยนต์ไฟฟ้าและรถยนต์ไฮบริด

รายละเอียดทางเทคนิคที่เผยแพร่โดยแหล่งข่าวในอุตสาหกรรมกล่าวถึงแม่เหล็กนีโอดิเมียมเผาผนึกชนิดใหม่สองเกรดที่ไม่ใช้ดิสโพรเซียมหรือเทอร์เบียม เกรดหนึ่งมุ่งเป้าไปที่มอเตอร์ขับเคลื่อน ระบบพวงมาลัยเพาเวอร์ไฟฟ้า และคอมเพรสเซอร์ โดยมีความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็กตกค้าง B_r ประมาณ 1.40 เทสลา และแรงต้านทานการล้างอำนาจแม่เหล็กโดยแท้ H_cJ อย่างน้อย 1671 กิโลแอมแปร์ต่อเมตร ส่วนอีกเกรดสำหรับงานที่ต้องการแรงบิดสูงขึ้น มีค่า B_r เพิ่มเป็น 1.42 เทสลา และค่า H_cJ ตั้งแต่ 1830 กิโลแอมแปร์ต่อเมตรขึ้นไป กล่าวอย่างง่าย B_r บ่งบอกปริมาณฟลักซ์แม่เหล็กที่แม่เหล็กส่งมอบได้ ส่วน H_cJ บ่งบอกว่าแม่เหล็กต้านทานการสูญเสียอำนาจแม่เหล็กที่อุณหภูมิสูงได้มากเพียงใด

Proterial ระบุว่ามีตัวอย่างจากสายการผลิตจำนวนมากสำหรับเกรดแรกแล้ว และรุ่นที่ทนความร้อนสูงขึ้นจะพร้อมส่งตัวอย่างภายในเดือนเมษายน 2026 บริษัทถือครองสิทธิบัตรหลายร้อยรายการที่เกี่ยวข้องกับแม่เหล็กนีโอดิเมียมเผาผนึก และยังนำเสนอผลงานเกี่ยวกับโลหะผสมแม่เหล็กอ่อนฟลักซ์สูง ซึ่งอาจช่วยลดน้ำหนักและการสูญเสียในแกนมอเตอร์บางประเภท สำหรับมอเตอร์ขับเคลื่อน ประเด็นสำคัญคือการเลิกใช้ธาตุหายากหนัก พร้อมคงระดับแรงบิดและความทนต่ออุณหภูมิให้ได้ตามเกณฑ์หลัก

บริษัทกำลังเตรียมการผลิตในประเทศที่เมืองคุมางายะ จังหวัดไซตามะ และเมืองยาบุ จังหวัดเฮียวโงะ หากมีการทำสัญญาซื้อขาย ก็จะเกิดแหล่งผลิตแม่เหล็กสำหรับมอเตอร์ขับเคลื่อนภายในประเทศ ในช่วงที่บริษัทผู้ผลิตรถยนต์กำลังมองหาอุปทานที่ได้รับผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงนโยบายในกรุงปักกิ่งน้อยลง

Daido Steel เริ่มเห็นแรงขับเคลื่อน

Daido Steel และ Daido Electronics ซึ่งเป็นบริษัทย่อย ได้วางจำหน่ายแม่เหล็กนีโอดิเมียมสำหรับรถยนต์ไฮบริดที่ไม่ใช้ธาตุหายากหนักแล้ว แนวทางของบริษัทคือปรับขนาดเกรนภายในแม่เหล็กให้ละเอียดขึ้นมาก ซึ่งช่วยเพิ่มแรงต้านทานการล้างอำนาจแม่เหล็กและรักษาสมรรถนะให้มีเสถียรภาพเมื่อมอเตอร์ร้อนขึ้น ฮอนด้านำแม่เหล็กเหล่านี้ไปใช้ในรถยนต์ไฮบริดตั้งแต่ปี 2016 นับเป็นครั้งแรกของผู้ผลิตรถยนต์รายใหญ่

สัญญาณความต้องการกำลังเพิ่มขึ้นอีกครั้ง Daido Steel รายงานว่าได้รับคำสอบถามจากผู้ผลิตรถยนต์ในญี่ปุ่นและสหรัฐฯ มากขึ้น สำหรับการใช้งานในรถยนต์ไฮบริดและรถยนต์ไฟฟ้าแบตเตอรี่ บริษัทวางแผนลงทุน 5 พันล้านเยนในโรงงานของ Daido Electronics ที่เมืองนาคัตสึงาวะ จังหวัดกิฟุ เพื่อรองรับคำสั่งซื้อที่คาดว่าจะเข้ามา โดยมีเป้าหมายเพิ่มกำลังการผลิตรายเดือนเป็นประมาณ 45 ตันภายในฤดูใบไม้ผลิปี 2026 และราว 150 ตันในปีงบประมาณ 2030

บริษัทยังกำลังพัฒนาเทคโนโลยีแม่เหล็กขึ้นรูปด้วยความร้อนที่ไม่ใช้ธาตุหายากหนัก และใช้พลังงานในการผลิตน้อยกว่ากระบวนการเผาผนึกแบบดั้งเดิม วิธีนี้ช่วยลดการปล่อยคาร์บอนในระดับโรงงานและลดการพึ่งพาส่วนที่ตึงตัวที่สุดของตลาดธาตุหายาก Daido Electronics กำลังขยายการผลิตและการสนับสนุนลูกค้าในญี่ปุ่น ไทย จีน และสหรัฐฯ รวมถึงแผนผลิตแม่เหล็กสำหรับมอเตอร์ขับเคลื่อนในรัฐโอไฮโอ

แม่เหล็กรุ่นใหม่รับมือความร้อนในรถยนต์ไฟฟ้าได้หรือไม่

มอเตอร์ขับเคลื่อนในรถยนต์นั่งสำหรับครอบครัวอาจมีอุณหภูมิภายในสูงกว่า 150 องศาเซลเซียสอย่างมาก และอาจเกิดจุดร้อนเฉพาะที่สูงกว่านั้นเมื่อขับขึ้นทางลาดชันหรือเร่งความเร็วซ้ำ ๆ ความร้อนทำให้ความแรงของแม่เหล็กลดลง และอาจทำให้สูญเสียอำนาจแม่เหล็กอย่างถาวรหากแรงต้านทานการล้างอำนาจแม่เหล็กโดยแท้ไม่สูงพอ การเติมธาตุหายากหนักช่วยเพิ่มค่า H_cJ จึงกลายเป็นมาตรฐานสำหรับแม่เหล็กเกรดที่ต้องรับภาระหนักที่สุด

Proterial ระบุว่าสามารถทำให้ได้ค่า H_cJ และ B_r ที่เพียงพอโดยไม่ใช้ดิสโพรเซียมหรือเทอร์เบียม ด้วยการควบคุมสิ่งเจือปนและแนวเรียงตัวของผลึกระหว่างการเผาผนึก นักวิเคราะห์ยินดีกับความก้าวหน้านี้ แต่จะรอการตรวจสอบยืนยันจากหน่วยงานอิสระ สมรรถนะต้องคงอยู่ได้ตลอดรอบการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมินับพันครั้ง ในช่วงความเร็วและภาระงานทั้งหมด รวมถึงหลังสัมผัสความชื้นและละอองน้ำเค็ม ความเห็นเบื้องต้นในอุตสาหกรรมยังตั้งคำถามว่าแม่เหล็กรุ่นใหม่จะมีสมรรถนะและต้นทุนเทียบเท่าหรือดีกว่าแม่เหล็กเกรดดีที่สุดที่มีดิสโพรเซียมหรือไม่

สิ่งที่วิศวกรจะตรวจสอบ

ทีมออกแบบจะจัดทำกราฟเส้นโค้งการล้างอำนาจแม่เหล็กตลอดช่วงอุณหภูมิการทำงาน จากนั้นทดสอบการสูญเสียอำนาจแม่เหล็กอย่างถาวรหลังเกิดภาวะโหลดเกิน พวกเขาจะตรวจสอบแรงบิดและประสิทธิภาพเมื่อทำงานร่วมกับชุดเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและอินเวอร์เตอร์ ไม่ใช่ดูเพียงคุณสมบัติของแม่เหล็กแยกเดี่ยว ความแข็งแรงเชิงกลก็สำคัญเช่นกัน เกรดแม่เหล็ก รูปทรง สารเคลือบ กาว และปลอกหุ้มโรเตอร์ต้องทนต่อความเค้นจากความร้อนและแรงทางกลที่เกิดซ้ำได้

การตรวจสอบยืนยันยังรวมถึงความสม่ำเสมอในการผลิตด้วย เกรดที่ผ่านข้อกำหนดในการทดลองผลิตต้องทำได้ทุกเดือนเมื่อขยายกำลังการผลิต ซัพพลายเออร์จะขอข้อมูลการควบคุมกระบวนการเชิงสถิติ การตรวจสอบย้อนกลับ และการวิเคราะห์ความล้มเหลวจากการทดสอบอายุการใช้งานแบบเร่ง กระบวนการนี้อาจใช้เวลาหลายเดือนสำหรับการทดสอบในห้องปฏิบัติการ และอาจนานหนึ่งปีหรือมากกว่านั้นหลังนำชิ้นส่วนไปติดตั้งในรถยนต์ต้นแบบ

การแข่งขันทั่วโลกและทางเลือกอื่น

นโยบายด้านธาตุหายากกลายเป็นจุดกดดันของอุตสาหกรรมยานยนต์ จีนควบคุมการกลั่นส่วนใหญ่และการผลิตแม่เหล็กราว 90 เปอร์เซ็นต์ ในช่วงที่การอนุญาตชะลอตัวเมื่อไม่นานมานี้ ซัพพลายเออร์ในยุโรปบางรายต้องหยุดสายการผลิตชั่วคราว และผู้ผลิตรถยนต์บางรายเตือนว่าอาจต้องหยุดโรงงานหากไม่มีการส่งมอบแม่เหล็กที่เชื่อถือได้ ความกังวลนี้ชวนให้นึกถึงภาวะขาดแคลนเซมิคอนดักเตอร์ และผลักดันให้บริษัทต่าง ๆ กระจายทั้งเทคโนโลยีและแหล่งผลิต

การออกแบบมอเตอร์ทางเลือกเป็นส่วนหนึ่งของแนวทางรับมือ มอเตอร์ซิงโครนัสโรเตอร์พันขดลวด มอเตอร์เหนี่ยวนำ และมอเตอร์รีลักแตนซ์แบบสวิตช์ ไม่ต้องใช้แม่เหล็กถาวร มอเตอร์บางชนิดใช้แม่เหล็กเฟอร์ไรต์ซึ่งมีอยู่มากแต่มีความแรงน้อยกว่า แล้วอาศัยรูปทรงแบบใหม่เพื่อชดเชยสมรรถนะ แบรนด์ยุโรปหลายแห่งเปิดตัวมอเตอร์ไร้แม่เหล็กในรถยนต์บางรุ่น Tesla ระบุว่ามอเตอร์แม่เหล็กถาวรรุ่นถัดไปจะไม่ใช้ธาตุหายาก ซึ่งกระตุ้นให้มีการค้นหาวัสดุและรูปแบบการออกแบบใหม่อย่างกว้างขวาง ข้อมูลวิจัยตลาดชี้ว่ามอเตอร์แม่เหล็กถาวรยังครองส่วนแบ่งมากกว่าสามในสี่ของตลาดรถยนต์ไฟฟ้าระหว่างปี 2015 ถึง 2022 โดยมีการลดปริมาณธาตุหายากและทางเลือกอื่นที่เพิ่มขึ้นอย่างค่อยเป็นค่อยไป

ประเทศต่าง ๆ นอกจีนกำลังเร่งเข้ามาเติมเต็มช่องว่าง ในอินเดีย ผู้ผลิตมอเตอร์และบริษัทสตาร์ตอัปกำลังขออนุญาตใช้แบบมอเตอร์ขับเคลื่อนที่ไม่ใช้แม่เหล็กถาวร โดยอาศัยแม่เหล็กเฟอร์ไรต์และหลักการรีลักแตนซ์ ขณะที่ผู้ประกอบการรีไซเคิลในประเทศพัฒนาวิธีกู้คืนธาตุหายากจากขยะอิเล็กทรอนิกส์ เป้าหมายไม่ใช่เพียงการแก้ปัญหาเฉพาะหน้า แต่เป็นการสร้างห่วงโซ่อุปทานระดับภูมิภาคที่รองรับโครงการยานยนต์ซึ่งเติบโตอย่างรวดเร็วได้

การรีไซเคิลและศูนย์แปรรูปแห่งใหม่กำลังได้รับแรงส่งในอเมริกาเหนือ Cyclic Materials ซึ่งตั้งอยู่ในรัฐออนแทรีโอ บรรลุข้อตกลงรับซื้อธาตุหายากรีไซเคิลกับ Solvay กลุ่มธุรกิจเคมีภัณฑ์ และแคนาดากำลังลงทุนเพิ่มกำลังการผลิตเพื่อจัดหาให้ลูกค้าในทวีปอเมริกาและยุโรป ผู้นำอุตสาหกรรมกล่าวว่าความตึงเครียดทางการค้าเร่งให้แผนสร้างแหล่งอุปทานที่เป็นอิสระเดินหน้า Pat Ryan ซีอีโอของ UCore สะท้อนความรู้สึกดังกล่าวในแถลงการณ์ล่าสุดเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงนโยบาย