Table of Contents

Без них смартфоны, электромобили, ветряные турбины и передовые военные системы не существовали бы в их нынешних формах. Однако глобальное распределение этих ресурсов — это нечто иное, чем простое распределение. Эта однобокая география создает как стратегические уязвимости, так и возможности для технологических инноваций. Понимание того, где находятся критически важные минералы и как функционируют их цепочки поставок, имеет важное значение для политиков, бизнес-лидеров и всех, кто интересуется будущим технологий.

Что такое критические минералы и почему они важны?

Критические минералы, также называемые стратегическими минералами, являются элементами, которые экономически важны и подвержены риску поставок. К ним относятся литий, кобальт, никель, графит, редкоземельные элементы (РЭЭ), медь и металлы платиновой группы. Эти материалы являются неотъемлемой частью производства батарей, постоянных магнитов, полупроводников и волоконной оптики.

Определение «критического» варьируется в зависимости от страны, но большинство списков сходятся на основном наборе минералов. Например, Геологическая служба США (USGS) поддерживает список, который теперь включает 50 минералов, по сравнению с 35 несколько лет назад, что отражает растущую обеспокоенность по поводу безопасности поставок.

Ключевые критические минералы в современных технологиях

  • Литий: Необходим для литий-ионных аккумуляторов, используемых в электромобилях, ноутбуках и сетевых хранилищах. Основные производители: Австралия, Чили, Китай, Аргентина.
  • Кобальт: Обеспечивает стабильность и плотность энергии в катодах аккумуляторов. Крупный производитель: Демократическая Республика Конго (ДРК) поставляет более 70% мирового кобальта.
  • Редкие элементы Земли (REEs): Группа из 17 элементов, используемых в мощных магнитах для электромобилей, ветряных турбин и военной техники. Доминирующий производитель: Китай (более 60% добытых REE и 90% перерабатывающей мощности).
  • Никель: Используется в аккумуляторах и нержавеющей стали для электромобилей. Основные производители: Индонезия, Филиппины, Россия, Новая Каледония.
  • Графиты: Анодный материал в большинстве литий-ионных аккумуляторов. Основные производители: Китай, Мозамбик, Бразилия, Мадагаскар.
  • Медь: Незаменимая для электропроводки, электроники и инфраструктуры возобновляемых источников энергии. Основные производители: Чили, Перу, Китай, Демократическая Республика Конго.

Каждый из этих минералов имеет уникальную географическую концентрацию, создавая специфические уязвимости. Перебои в одном регионе могут каскадироваться через глобальные цепочки поставок.

Глобальное распределение важнейших минералов

Распределение критических минералов не случайно — оно регулируется геологией. Богатые кобальтом отложения латерита образуются в тропическом климате; литий концентрируется в соляных плоскостях (саларах) Анд и в твердых скальных пегматитах Австралии; редкоземельные элементы встречаются в карбонатитах и ионосорбционных глинах, особенно в южном Китае.

Этот геологический детерминизм означает, что горстка стран контролирует большинство запасов и добычи. В следующих разделах подробно описаны модели концентрации наиболее эффективных минералов.

Литий: «Белая нефть» 21-го века

Литий часто называют новой нефтью из-за его центральной роли в энергетическом переходе. Литийный треугольник , охватывающий части Чили, Аргентины и Боливии, содержит около 60% мировых запасов лития. Однако в настоящее время в производстве преобладают Австралия (добыча твердого горного сподума) и Чили (испарение соли).

В 2023 году на долю Австралии приходилось примерно 47% мирового производства литиевых рудников, за ней следуют Чили (30%), Китай (14%) и Аргентина (5%). Между тем, Боливия имеет огромные неиспользованные ресурсы, но политические и технические препятствия ограничили производство.

Международное энергетическое агентство (МЭА) прогнозирует, что мировой спрос на литий может увеличиться в 40 раз к 2040 году по сценарию чистого нуля. Это оказывает огромное давление на существующие шахты и ускоряет разведку в новых юрисдикциях, таких как Мексика, Германия и Соединенные Штаты.

Кобальт: огромное влияние ДРК

Демократическая Республика Конго (ДРК) занимается кобальтом, как Саудовская Аравия - нефтью. В 2022 году ДРК добыла примерно 73% мирового кобальта, причем подавляющее большинство приходится на крупные медно-кобальтовые рудники в южной провинции Катанга. Более 15% также добывается кустарными шахтерами в зачастую опасных условиях.

Эта концентрация несет значительные риски. Нарушения прав человека, включая детский труд, были задокументированы в кустарной добыче кобальта. Геополитическая нестабильность в ДРК — включая вооруженные конфликты в восточных регионах — может нарушить поставки в любое время. Китай доминирует на стадии переработки: китайские компании владеют или управляют большинством кобальтовых НПЗ во всем мире.

Крупные производители аккумуляторов, такие как Tesla, Panasonic и LG Chem, работают над снижением содержания кобальта в своих катодах (переход на литий-фосфат железа или химии с высоким содержанием никеля), но спрос на EV все еще опережает усилия по замене.

Редкие элементы Земли: доминирование Китая от шахты до магнита

Редкие земные элементы не являются редкостью — они геологически обильны, но редко концентрируются в экономически добытых месторождениях.Что еще более важно, обработка и разделение РЭЭ на оксиды высокой чистоты требует сложной химии, которую Китай усовершенствовал за десятилетия.

Китай контролирует около 70% мировой добычи редкоземельных элементов и примерно 90% мощностей по переработке тяжелых редкоземельных элементов (например, диспрозия, тербия), используемых в электродвигателях и генераторах ветряных турбин. Остальной мир медленно развивает альтернативные цепочки поставок: шахта Mountain Pass в Калифорнии теперь снова работает под владением США, но ее концентраты все еще отправляются в Китай для окончательной переработки. Недавно шахта Mountain Pass объявила о новом заводе по переработке на месте, чтобы преодолеть эту зависимость, но масштабирование займет годы.

Никель и графит: две стороны аккумуляторной монеты

Никель имеет решающее значение для батарей высокой плотности энергии. Индонезия стала крупнейшим в мире производителем никеля благодаря крупным месторождениям латеритовых металлов и поддерживаемым Китаем перерабатывающим заводам, которые производят осадки из матового никеля и смешанного гидроксида. Однако добыча никеля в Индонезии вызвала экологические проблемы в связи с обезлесением и загрязнением.

Графит — самый большой компонент литий-ионной батареи по весу — в подавляющем большинстве поставляется Китаем. На долю Китая приходится около 65% добытого графита и почти 100% сферического графита, используемого в анодах батарей. В США и Европе нет внутреннего производства сферического графита, что делает их полностью зависимыми от импорта.

Влияние на развитие технологий

Географическая концентрация критически важных минералов оказывает прямое и растущее влияние на стоимость, скорость и направление технологических инноваций.По сути, поставка этих минералов действует как ограничение на то, как быстро мы можем развернуть технологии чистой энергии, продвинуть вычисления или производить потребительскую электронику.

Электромобили и затраты на аккумулятор

Наиболее заметное влияние оказывает электромобиль. Пакеты аккумуляторов составляют примерно от 30 до 40 процентов от общей стоимости электромобиля. Литий, кобальт и никель составляют значительную часть этой стоимости. Когда цена карбоната лития подскочила до более чем 80 000 долларов за метрическую тонну в конце 2022 года, стоимость строительства электромобиля соответственно выросла, что вынудило автопроизводителей повысить цены или снизить маржу.

Химия аккумуляторов развивается в ответ на ограничения поставок. Переход от составов никеля-марганца-кобальта (NMC) к литий-железо-фосфату (LFP) во многих электромобилях стандартного диапазона является прямым ответом на дефицит кобальта и никеля. Батареи LFP не используют кобальта и меньше никеля, но они страдают от более низкой плотности энергии. В Китае более 50% новых электромобилей теперь используют батареи LFP, и Tesla и Ford приняли их для своих базовых моделей. Эта замена химии иллюстрирует, как доступность минералов формирует выбор технологий.

Помимо химии, производители инвестируют в альтернативные технологии батарей, такие как натрий-ионные батареи. Натрий в изобилии и широко доступен, но натрий-ионные элементы имеют более низкую плотность энергии, что может быть приемлемо для хранения в сетях или транспортных средств малой дальности. Первые натрий-ионные батареи были коммерциализированы в 2023 году, и если масштабы производства, они могут снизить давление на поставки лития и кобальта.

Инфраструктура возобновляемой энергии

Ветровые турбины и солнечные панели также зависят от критических минералов. Постоянные магниты в ветровых турбинах с прямым приводом требуют неодима, празеодима, диспрозия и тербия - всех редкоземельных элементов. Каждый мегаватт оффшорной ветровой мощности использует примерно 600-800 килограммов этих магнитных материалов. Если Китай ограничит экспорт REE, он может немедленно приостановить установки ветряных электростанций во всем мире.

Солнечные фотоэлектрические (PV) панели полагаются на серебро для электрических контактов (серебряная паста) и медь для проводки. Интенсивность серебра фотоэлементов была снижена примерно на 80% с 2010 года, но спрос со стороны солнечной энергии по-прежнему стимулирует значительную часть мирового потребления серебра. Ожидается, что к 2030 году спрос на медь для солнечной и зарядной инфраструктуры электромобилей вырастет более чем на 2 миллиона тонн в год.

Потребительская электроника и полупроводники

Смартфоны, ноутбуки и дата-центры используют коктейль из критических минералов. Полупроводниковая промышленность опирается на галлий, германий, индий и кремний со сверхвысокой чистотой. Китай недавно установил экспортный контроль на галлий и германий в 2023 году, подчеркнув уязвимость цепочек поставок чипов. Галлий является побочным продуктом переработки алюминия, а Китай производит около 80% мирового галлия. Такие ограничения могут нарушить производство сложных полупроводников, используемых в радиочастотных чипах, светодиодах и радиолокационных системах.

Проблемы и возможности в критических цепочках поставок минерального сырья

Нынешнее распределение важнейших полезных ископаемых представляет три основные проблемы: геополитическая концентрация, экологические и социальные издержки и отсутствие инфраструктуры переработки, однако эти же проблемы создают возможности для инноваций, диверсификации и более устойчивых систем.

Геополитические риски и устойчивость цепочки поставок

Страны, которые в значительной степени зависят от импорта критически важных полезных ископаемых, уязвимы для торговых споров, экспортных квот и политической нестабильности в странах-поставщиках. Почти монополия Китая на переработку REE и его контроль над индонезийской переработкой никеля (через китайские компании, такие как Циншань и Хуайо) дает ему стратегическое преимущество. В ответ США и Европейский союз начали такие инициативы, как Партнерство по безопасности на шахтах и приняли законодательство, такое как Закон о сокращении инфляции (IRA) ], чтобы стимулировать внутреннюю добычу и переработку.

Например, IRA предоставляет налоговые льготы для батарей, собранных в Северной Америке, с минералами, полученными от партнеров по свободной торговле. Это уже стимулирует инвестиции в литиевые проекты в США (например, Thacker Pass, Nevada; Lithium Americas' California facility) и стартапы по переработке, такие как Redwood Materials.

Экологические и социальные последствия горной добычи

Добыча критически важных полезных ископаемых может иметь серьезные экологические последствия: истощение воды в соляных квартирах Атакама, используемых для добычи рассола лития, обезлесение в Индонезии для добычи никеля и токсичные хвосты от переработки редкоземельных элементов.В ДРК добыча кобальта была связана с вооруженными конфликтами и детским трудом.

Промышленность реагирует более устойчивыми методами добычи. Технологии прямой добычи лития (DLE), использующие селективные мембраны или ионообменные смолы, могут восстанавливать литий из рассола с меньшим потреблением воды и более быстрой обработкой. Несколько пилотных заводов DLE работают в Аргентине и США Кроме того, горнодобывающие компании внедряют системы экологического менеджмента ISO 14001 и проводят сертификацию от Инициатива по ответственному обеспечению добычи (IRMA) .

В социальном плане компании находятся под давлением, чтобы гарантировать, что кустарные шахтеры не используют детский труд и что местные общины получают выгоду от доходов от добычи полезных ископаемых. Справедливый кобальтовый альянс и аналогичные инициативы способствуют ответственному поиску.

Переработка и круговая экономика

В настоящее время перерабатывается лишь около 1% важнейших полезных ископаемых. Низкий уровень переработки обусловлен неэффективностью сбора, отсутствием рентабельных процессов и разнообразием химических веществ аккумуляторов. Однако утилизация может резко снизить потребность в первичной добыче. Исследования показывают, что к 2040 году утилизация может удовлетворить до 25% спроса на литий и 35% спроса на кобальт, если инфраструктура переработки будет масштабироваться соответствующим образом.

Такие компании, как Redwood Materials (при поддержке Amazon и Ford), Li-Cycle и Umicore, строят гидрометаллургические процессы для извлечения лития, кобальта, никеля и меди из отработанных батарей. Redwood утверждает, что его процесс может восстановить более 95% металлов в литий-ионном аккумуляторе. Также наступает регулирующий толчок: новое регулирование ЕС ] Регулирование батарей требует, чтобы с 2027 года все новые батареи должны содержать минимальную долю переработанного содержимого — 16% кобальта, 85% свинца и 6% лития.

Замена и материальные инновации

Возможно, самая мощная долгосрочная возможность - замена. Исследователи разрабатывают новые материалы для замены дефицитных минералов.

  • Солидные батареи могли использовать меньше графита или вообще не использовать его, увеличивая плотность энергии при включении литиевых металлических анодов.
  • Натрий-ионные батареи полностью устраняют литий, хотя они имеют более низкую плотность энергии.
  • Сверхпроводники на основе железа и магниевый диборид могут уменьшить зависимость от редкоземельных элементов для магнитов.
  • Алюминиевые батареи исследуются для авиации дальнего действия.
  • Композиты из углеродных нанотрубок могут заменить медь в некоторых приложениях проводки.

Эти заменители пока не являются коммерчески жизнеспособными в масштабе, но они снижают стратегический риск чрезмерной зависимости от одного минерала или поставщика. Финансируемые правительством исследования (такие как Центр инноваций в области критических материалов Министерства энергетики США) ускоряют эти разработки.

Путь вперед: диверсификация, дипломатия и дизайн

Не существует единого решения для решения важнейшей проблемы с минералами. Необходима комбинация стратегий:

  1. Диверсификация источников поставок путем открытия новых шахт в геополитически стабильных странах (Канада, Австралия, Бразилия, США и части Африки).
  2. Австралия строит заводы по переработке редкоземельных элементов; США начали строительство литиевых НПЗ; Индия и Южная Корея инвестируют в никель и кобальт.
  3. Укрепление инфраструктуры переработки посредством законодательства и государственно-частного партнерства. Страны должны санкционировать возвращение батарей и стимулировать системы замкнутого цикла.
  4. Инвестируйте в альтернативные материалы и в химические батареи следующего поколения. Долгосрочные исследования и разработки могут снизить интенсивность минерализации на ватт-час.
  5. Участие в международном сотрудничестве посредством торговых соглашений и ресурсной дипломатии.Партнерство по безопасности в области минерального сырья и соглашение ЕС с Чили и Намибией являются шагами в правильном направлении.

Заключение

Критические минералы являются невидимым стержнем современных технологий. Их неравномерное глобальное распределение создает как уязвимость, так и возможности. Кобальт из ДРК питает ваш телефон; литий из Чили перемещает ваш автомобиль; редкоземельные металлы из Китая вращают турбины, которые генерируют чистую электроэнергию. По мере роста спроса на электромобили, возобновляемые источники энергии и электронику потребность в безопасных, устойчивых и диверсифицированных цепочках поставок никогда не была больше.

Успешными будут страны и компании, которые не только обеспечат доступ к этим ресурсам, но и инвестируют в переработку, замену и ответственную добычу. Путь вперед сложен, но он судоходен. Распределение важнейших полезных ископаемых не должно диктовать судьбу технологий — вместо этого им можно управлять с помощью инноваций и сотрудничества.