关键材料概况介绍

图像
关键材料情况说明书的图解图标

矿物是现代社会运作不可或缺的一部分。它们存在于合金、磁铁、电池、催化剂、荧光粉和抛光化合物中,这些化合物又被集成到无数产品中,如飞机、通信系统、电动汽车、激光、海军舰艇以及各种类型的消费电子产品和照明产品中。1然而,其中一些矿物供应有限,开采这些矿物的技术会产生高昂的环境和财政成本。鉴于它们在大量技术应用中的必要性,人们担心未来的供应是否能满足经济的需求。材料临界性可以从供应风险、供应限制的脆弱性和环境影响等方面进行评估。2稀土元素(REEs)是一组用于各种产品的17种元素,其中许多元素对可再生能源和能源储存至关重要。大多数稀土元素没有现成的替代品。1除非采取行动,否则美国每年可能面临价值高达32亿美元的关键材料短缺。3.

关键材料类别

能源关键要素

  • 能源关键元件(ECEs)是先进能源生产、传输和存储的组成部分。这类元素包括锂、钴、硒、硅、碲、铟和稀土元素。5
  • 一种元素可能被归类为能源关键元素,因为它在地壳中很稀有,经济上可开采的矿床很罕见,或者在美国缺乏可用性。美国经济中使用的大多数电子元素有90%以上依赖于其他国家。5
  • 一些外甥女是自己形成沉积物的,另一些则是作为其他矿石开采的副产品或副产物获得的。5

材料临界矩阵,中期(2015-2025年)4
图像
材料临界矩阵,中期(2015-2025年)

  • 硅、碲、铟是太阳能光伏板的必备材料。6
  • 铂族元素(PGEs)是燃料电池的必要组成部分,并具有其他先进车辆用途的潜力。5铂和钯的产量主要集中在南非(分别为72%和40%)和俄罗斯(分别为11%和37%)。7
  • 锂是一种越来越重要的元素,因为它被用于手机、笔记本电脑和电动汽车的电池。智利、玻利维亚和阿根廷的锂资源占全球的56%。2021年,澳大利亚、智利、中国和阿根廷的锂产量占世界锂产量的97%。7

世界锂产量,2021年7
图像
世界锂产量,2021年

  • 人们正在努力从低质量的资源中提取元素。锂和钒、铀等物质以小浓度存在于海水中。beplayer官网入口研究人员最近开发了一种从海水中提取这些物质的方法。8
  • 美国能源部(DOE)根据材料的供应风险和对清洁能源的重要性来定义材料的临界性。截至2011年,美国能源部发现有五种元素在短期(2011年至2015年)和中期(2015年至2025年)具有关键作用:镝、铽、铕、钕和钇。这些元素被用于风力涡轮机和电动汽车的磁铁中,或者作为节能照明中的荧光粉。4
  • 能源部的关键材料研究所最近集中研究了包括石墨、锰、钴、锂、镓、铟和碲在内的关键材料。9
  • 目前美国能源部解决材料关键问题的战略包括多样化供应、开发替代品以及改善关键材料的再利用和循环利用。10
  • 铜是电线和电器的关键元素,也可能是未来可再生能源部署的限制因素。以目前的生产水平,现有铜资源可能只能再维持60年,随着矿石质量的下降,其开采将变得更加能源密集型。11铜产量最大的国家包括智利(26.6%)、秘鲁(11%)、中国(8.6%)、刚果(8.6%)和美国(5.7%)。7铜的独特之处在于它在回收时不会降解或失去其物理和化学性质。12然而,在2021年,只有32%的铜来自回收资源。在回收的全部废料中,80%来自黄铜和线材厂。7

稀土元素

  • 稀土元素是一组特别重要的关键矿物质。尽管这些矿物在地壳中含量适中,但它们分布很分散,因此很难大量提取。14
  • 稀土元素有17种,包括镧系元素(元素周期表上的原子序数为57到71)、钪和钇。轻稀土元素(LREEs)由元素57 ~ 64组成,重稀土元素(HREEs)由元素65 ~ 71组成。1
  • 稀土有多种用途,包括手机、节能照明、磁铁、混合动力汽车电池以及汽车和石油精炼的催化剂。14稀土元素铽、钕、镨和镝是风力涡轮机中使用的永磁体的关键组成部分。6稀土元素的替代品是可用的,但效果较差。7
  • 2021年,中国控制了近60%的稀土产量。7美国有14种关键矿产100%依赖进口,另有10种逾75%依赖进口。这些材料是工业和商业过程以及国防的关键。6
  • 美国已在2021年将稀土产量增加到4.3万吨。美国稀土储量估计为240万吨。相比之下,中国在2020年和2021年都生产了13万吨以上的稀土,其储量估计为4400万吨。澳大利亚和缅甸在稀土开采方面取得了重大进展,但产能仍低于中国的30%。7
  • 对ECE的需求,加上许多国家采矿标准的提高,导致生产转移到成本低和环境条例宽松的国家,从而增加了ECE开采的影响。然而,值得注意的是,发展中国家天然拥有欧洲经委会更多的矿床。5

稀土元素预测短缺13
图像
稀土元素预测短缺

生命周期影响

  • 采矿是一个破坏性的过程,它破坏环境,并广泛散布废物。开采过程中使用的化合物会进入空气、地表水和矿山附近的地下水。15
  • 对含有关键元素的矿石进行研磨和破碎时,往往会释放出粉尘,这些粉尘会对暴露在井下的工人和附近居民产生致癌和负面的呼吸影响。15
  • 除了健康影响外,采矿还会对人权产生负面影响。例如,刚果民主共和国是世界上主要的钴生产国,这种金属广泛用于先进的电池技术,但由于监管和监督不严,那里有大量童工的记录。16
  • 一些稀土矿床含有钍和铀,会造成严重的辐射危害。虽然钍和铀可用于产生核能,但在这种情况下,它们很少能进行商业开采,因此被留在尾矿中,可能对环境和人类健康构成风险。5
  • 与开采原始材料相比,回收关键材料对人类健康和环境的影响要低得多。然而,不适当的回收和回收程序经常发生在发展中国家,那里限制工人接触的法规松懈或不存在,这可能导致接触致癌和有毒物质。15

中国稀土开采的危害17
图像
中国稀土开采的危害

解决方案和可持续替代方案

  • 回收你的电子产品。目前,只有不到1%的稀土被回收。每年,成千上万的电子产品,如手机、电视和电脑被丢弃。从这些产品中回收的金属可以有效地重复使用或回收。4
  • 购买翻新产品而不是新产品。从有回收计划的公司租产品,这些公司要求回收材料。5
  • 支持美国能源部先进制造办公室(Advanced Manufacturing Office)等政府项目,该办公室为有关减少环境影响、降低成本和改善美国清洁能源技术制造过程的项目提供资金18
引用作为

可持续系统中心,密歇根大学,2021。“关键材料概况介绍。”酒吧。不。CSS14-15。

  1. 美国地质调查局(USGS)(2020) 2017矿物年鉴-稀土。
  2. Graedel, T.,等(2015)金属和类金属的临界性。美国国家科学院学报,112(14):4257-4262。
  3. 美国国防部(2015)《2015年战略和关键材料库存需求报告》。
  4. 美国能源部(DOE)(2011)关键材料战略。
  5. 美国物理学会公共事务小组和材料研究学会(2011)能源关键元素:为新兴技术确保材料。beplayer官网入口
  6. 国会研究服务处(2019年)beplayer官网入口《关键矿产与美国公共政策》。
  7. 美国地质勘探局(2022)矿产商品摘要2022。
  8. Diallo, M.等(2015)从海水中开采关键金属和元素:机遇与挑战。
  9. 艾姆斯实验室(2020)“关于关键材料研究所。”
  10. 美国能源部(2020年)“关键材料中心。”
  11. Harmsen, J.等人(2013)铜稀缺对2050年全球可再生能源情景效率的影响。能源,50:62-73。
  12. 国际铜研究小组(2021年)《2021年世界铜概况》。
  13. 美国国防部(2014)《2013年战略和关键材料库存需求报告》
  14. 美国国会研究服务处(2013beplayer官网入口)《稀土元素:全球供应链》。
  15. 美国环境保护署(2012)稀土元素:生产、加工、回收和相关环境问题的回顾。
  16. 美国劳工部(2020年)“打击刚果民主共和国钴业的童工现象”。
  17. 国家航空航天局(2012)地球观测站-白云鄂博稀土矿。
  18. 美国能源部,能源效率和可再生能源(2021年)“先进制造办公室”。

从这里往哪里走