Warum schwere Seltene Erden zum Engpass wurden
Magnete sind das Herzstück von Elektromotoren in Elektro- und Hybridfahrzeugen. Die stärksten kommerziell erhältlichen Magnete sind Neodym-Eisen-Bor-Magnete. Sie liefern ein hohes Drehmoment bei kompakter Bauweise. Allerdings gibt es einen Haken: Neodym-Magnete verlieren bei erhöhten Temperaturen an Stärke. Um der Hitze entgegenzuwirken, fügen Hersteller traditionell geringe Mengen schwerer Seltener Erden hinzu, vor allem Dysprosium und Terbium. Beide Elemente erhöhen die Koerzitivfeldstärke, also den Widerstand gegen Entmagnetisierung. So behalten die Magnete ihr Magnetfeld, wenn ein Antriebsmotor heiß läuft.
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Das Angebot an schweren Seltenen Erden ist stark konzentriert. China fördert einen großen Anteil der Seltene-Erden-Erze weltweit, raffiniert den Großteil der Oxide und Metalle und produziert rund 90 Prozent der Magnete für Autos und Elektronik, wie Branchenumfragen und aktuelle Berichte zeigen. Werden Exportbeschränkungen verschärft, spüren die Lieferketten das schnell. In den vergangenen Monaten bemühten sich Autohersteller fieberhaft um alternative Bezugsquellen für Magnetmaterialien. Suzuki Motor legte wegen fehlender Vorprodukte vorübergehend einige Montagelinien still, und Zulieferer warnten vor einem möglichen Engpass wie während der Chipkrise. Reuters beschrieb Autohersteller und Zulieferer, die wegen der Engpässe bei Seltenen Erden in heller Aufregung seien.
Was Japans neue Magnete versprechen
Japanische Werkstoffspezialisten arbeiten daran, die Abhängigkeit der Motorleistung von schweren Seltenen Erden zu beenden. Proterial, ehemals Hitachi Metals, erklärt, Neodym-Magnete für Antriebsmotoren entwickelt zu haben, die ihre Leistung ganz ohne schwere Seltene Erden beibehalten. Durch eine präzisere Kontrolle von Verunreinigungen und der Mikrostruktur während der Verarbeitung seien Magnetgüten entstanden, die stark genug für Elektro- und Hybridfahrzeuge seien.
Von Branchenquellen veröffentlichte technische Angaben beschreiben zwei neue gesinterte Neodym-Magnetgüten, die ohne Dysprosium und Terbium auskommen. Eine Güte ist für Antriebsmotoren, elektrische Servolenkungen und Kompressoren vorgesehen. Sie erreicht eine remanente Flussdichte B_r von etwa 1.40 Tesla und eine intrinsische Koerzitivfeldstärke H_cJ von mindestens 1671 Kiloampere pro Meter. Eine zweite Güte für Anwendungen mit höherem Drehmoment kommt auf eine B_r von etwa 1.42 Tesla und eine H_cJ von mindestens 1830 Kiloampere pro Meter. Einfach gesagt: B_r gibt an, wie viel magnetischen Fluss ein Magnet liefern kann, und H_cJ, wie schwer er bei hohen Temperaturen zu entmagnetisieren ist.
Proterial zufolge sind für die erste Güte bereits Muster aus einer Massenproduktionslinie verfügbar. Eine hitzebeständigere Variante soll bis April 2026 für die Bemusterung bereit sein. Das Unternehmen besitzt Hunderte Patente zu gesinterten Neodym-Magneten und hat zudem auf seine Arbeiten an einer weichmagnetischen Legierung mit hoher Flussdichte hingewiesen, die bei bestimmten Motorkernen Gewicht und Verluste verringern könnte. Bei Antriebsmotoren steht vor allem im Vordergrund, dass schwere Seltene Erden wegfallen und zugleich wichtige Anforderungen an Drehmoment und Temperatur erfüllt werden.
Das Unternehmen bereitet die Produktion in Japan in Kumagaya in der Präfektur Saitama und in Yabu in der Präfektur Hyogo vor. Kommt es zu entsprechenden Verträgen, entstünde damit eine heimische Bezugsquelle für Magnete von Antriebsmotoren – zu einer Zeit, in der Autohersteller Lieferanten suchen, die weniger stark von politischen Kurswechseln in Peking betroffen sind.
Daido Steel erzielt erste Erfolge
Daido Steel und seine Tochtergesellschaft Daido Electronics haben bereits Neodym-Magnete für Hybridfahrzeuge ohne schwere Seltene Erden auf den Markt gebracht. Ihr Verfahren verfeinert die Korngröße im Magneten und erzeugt dadurch deutlich feinere Kristallkörner. Das erhöht die Koerzitivfeldstärke und stabilisiert die Leistung, wenn sich der Motor erhitzt. Honda setzte diese Magnete 2016 in Hybridmodellen ein – als erster großer Autohersteller.
Die Nachfrage zieht wieder an. Daido Steel zufolge gehen vermehrt Anfragen von Autoherstellern in Japan und den USA für Hybrid- und batterieelektrische Anwendungen ein. Um die erwarteten Aufträge bedienen zu können, will das Unternehmen 5 Milliarden Yen in ein Werk von Daido Electronics in Nakatsugawa in der Präfektur Gifu investieren. Ziel ist es, die monatliche Kapazität bis zum Frühjahr 2026 auf etwa 45 Tonnen und im Geschäftsjahr 2030 auf rund 150 Tonnen zu erhöhen.
Das Unternehmen entwickelt außerdem die Technologie für heißumgeformte Magnete weiter, die ohne schwere Seltene Erden auskommt und bei der Herstellung den Stromverbrauch im Vergleich zu herkömmlichen Sinterverfahren senkt. Das kann die CO₂-Emissionen in der Produktion verringern und die Abhängigkeit von den besonders angespannten Teilen des Marktes für Seltene Erden reduzieren. Daido Electronics baut Produktion und Kundenbetreuung in Japan, Thailand, China und den USA aus. Dazu gehören Pläne, Magnete für Antriebsmotoren in Ohio herzustellen.
Können die neuen Magnete der Hitze in Elektroautos standhalten?
Die Innentemperaturen von Antriebsmotoren in Familienautos können deutlich über 150 Grad Celsius steigen. Bei steilen Anstiegen oder wiederholtem Beschleunigen können lokal noch höhere Temperaturen auftreten. Hitze schwächt Magnete und kann zu irreversiblen Verlusten führen, wenn die intrinsische Koerzitivfeldstärke nicht hoch genug ist. Zusätze schwerer Seltener Erden erhöhen H_cJ, weshalb sie bei den anspruchsvollsten Magnetgüten zum Standard wurden.
Proterial zufolge erzielte das Unternehmen durch die Kontrolle von Verunreinigungen und der Textur während des Sinterns ausreichende Werte für H_cJ und B_r – ohne Dysprosium oder Terbium. Analysten begrüßen die Fortschritte, erwarten aber eine unabhängige Überprüfung. Die Leistung muss Tausende Temperaturzyklen lang, über den gesamten Drehzahl- und Lastbereich sowie nach Belastung durch Feuchtigkeit und Salznebel hinweg stabil bleiben. Erste Kommentare aus der Branche stellen zudem die Frage, ob die neuen Magnete die besten dysprosiumhaltigen Güten in Leistung und Kosten erreichen oder übertreffen.
Was Ingenieure überprüfen werden
Entwicklungsteams werden bei Betriebstemperaturen vollständige Entmagnetisierungskurven erstellen und anschließend nach Überlastungen auf irreversible Verluste prüfen. Sie werden Drehmoment und Wirkungsgrad im Zusammenspiel mit Generator und Wechselrichter bewerten, nicht nur die Eigenschaften des Magneten für sich genommen. Auch die mechanische Festigkeit ist wichtig. Magnetgüte, Form, Beschichtung, Klebstoff und Rotormantel müssen wiederholten thermischen und mechanischen Belastungen standhalten.
Zur Validierung gehört auch die Fertigungskonstanz. Eine Güte, die in einem Pilotlauf die Spezifikationen erfüllt, muss das jeden Monat auch in der Großproduktion tun. Zulieferer werden Daten zur statistischen Prozesskontrolle, zur Rückverfolgbarkeit und zu Fehleranalysen aus beschleunigten Lebensdauertests anfordern. Die Laborprüfungen können Monate dauern; sobald die Teile in Prototypfahrzeuge eingebaut sind, kann der Prozess ein Jahr oder länger beanspruchen.
Der globale Wettlauf und Alternativen
Die Rohstoffpolitik bei Seltenen Erden ist zu einem Druckpunkt für die Autoindustrie geworden. China kontrolliert den Großteil der Raffination und rund 90 Prozent der Magnetproduktion. Während jüngster Verzögerungen bei Genehmigungen stellten europäische Zulieferer vorübergehend die Produktion ein, und einige Autohersteller warnten, dass ohne zuverlässige Magnetlieferungen auch Werksschließungen drohen könnten. Die Sorge erinnert an die Halbleiterkrise und treibt Unternehmen dazu, sowohl ihre Technologien als auch ihre Bezugsquellen geografisch breiter aufzustellen.
Alternative Motorkonzepte gehören ebenfalls zum Instrumentarium. Synchronmotoren mit gewickeltem Läufer, Asynchronmotoren und geschaltete Reluktanzmotoren kommen ohne Permanentmagnete aus. Einige verwenden Ferritmagnete, die reichlich vorhanden, aber schwächer sind, und gleichen dies mit neuen Geometrien aus. Mehrere europäische Marken haben in ausgewählten Modellen magnetfreie Motoren eingeführt. Tesla erklärte, seine Permanentmagnetmotoren der nächsten Generation würden keine Seltenen Erden verwenden. Das hat die Suche nach neuen Materialien und Motorkonzepten weiter vorangetrieben. Marktforschungen zufolge entfielen zwischen 2015 und 2022 weiterhin mehr als drei Viertel der Elektromotoren in Elektroautos auf Permanentmagnetmotoren; zugleich sank der Anteil Seltener Erden, während alternative Konzepte allmählich an Bedeutung gewannen.
Länder außerhalb Chinas versuchen, die Lücken rasch zu schließen. In Indien lizenzieren Motorenhersteller und Start-ups magnetfreie Antriebskonzepte auf Basis von Ferritmagneten und Reluktanzprinzipien, während heimische Recyclingunternehmen daran arbeiten, Seltene Erden aus Elektroschrott zurückzugewinnen. Ziel ist nicht nur eine Übergangslösung. Es soll eine regionale Lieferkette aufgebaut werden, die schnell wachsende Fahrzeugprogramme unterstützen kann.
Recycling und neue Verarbeitungszentren gewinnen in Nordamerika an Fahrt. Das in Ontario ansässige Unternehmen Cyclic Materials schloss mit dem Chemiekonzern Solvay eine Abnahmevereinbarung für recycelte Seltene Erden. Kanada investiert außerdem in Verarbeitungskapazitäten, um Kunden in Nord- und Südamerika sowie Europa zu beliefern. Branchenvertreter sagen, die Handelsspannungen hätten die Pläne zum Aufbau unabhängiger Lieferketten beschleunigt. Pat Ryan, CEO von UCore, brachte diese Stimmung kürzlich in einer Stellungnahme zum politischen Kurswechsel zum Ausdruck.
