Vì sao đất hiếm nhẹ lại quan trọng đối với ngành năng lượng trong tương lai?

Báo cáo nhận diện rủi ro, thách thức và gợi ý chính sách phát triển các phân ngành điện Việt Nam Để giúp các đại biểu Quốc hội tham dự Kỳ họp thứ 10 - Quốc hội khóa XV cập nhật một số thông tin tham khảo trong quá trình thảo luận, góp ý xây dựng dự án Luật, Nghị quyết của Quốc hội liên quan đến lĩnh vực điện lực, Hội đồng Khoa học Tạp chí Năng lượng Việt Nam vừa hoàn thiện Báo cáo về “Nhận diện rủi ro, thách thức và gợi ý giải pháp chính sách phát triển ngành điện của Việt Nam” - tháng 10/2025. Dưới đây là nội dung chính của Báo cáo.

I. Về đất hiếm và đất hiếm nhẹ:

1. Đất hiếm:

Theo Bách khoa thư mở (EWO): Các nguyên tố đất hiếm (Rare-earth elements - REE), còn được gọi là kim loại đất hiếm, hoặc đất hiếm, là một tập hợp gồm 17 kim loại nặng mềm, màu trắng bạc, sáng bóng gần như không thể phân biệt được. 15 nguyên tố nhóm lanthanide (hay lanthanoid) [a] cùng với scandium và yttrium, thường được coi là đất hiếm. Các hợp chất chứa đất hiếm có nhiều ứng dụng đa dạng trong các linh kiện điện và điện tử, laser, thủy tinh, vật liệu từ tính và các quy trình công nghiệp. Đất hiếm cần được phân biệt với các khoáng chất thiết yếu, là những vật liệu có tầm quan trọng chiến lược, hoặc kinh tế được định nghĩa khác nhau bởi các quốc gia khác nhau [b] và khoáng chất đất hiếm, là những khoáng chất chứa một, hoặc nhiều nguyên tố đất hiếm làm thành phần kim loại chính.

Theo Báo cáo tháng 2/2025 của Cục Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ (US Geological Survey's February 2025) về các nguyên tố đất hiếm, 8 quốc gia có trữ lượng đất hiếm lớn nhất như sau (tính theo tấn oxit đất hiếm tương đương):

TT	Tên nước	Trữ lượng (triệu tấn)	Trữ lượng bình quân đầu người (kg)
	Thế giới	130	15,73
1	Trung Quốc	44	31,07
2	Brazil	21	98,39
3	Ấn Độ	6,9	4.87
4	Úc	5,7	202,39
5	Nga	3,8	26,02
6	Việt Nam	3,5	34,45
7	Hoa Kỳ	1,9	5,47
8	Greenland (Đan Mạch)	1,5	249,90
9	Tanzania	0,9	12,76
10	Nam Phi	0,9	13,90
11	Canada	0,8	20,40

Top 10 quốc gia đứng đầu về sản xuất REE vào năm 2025:

Thứ tự	Tên nước	Sản lượng (nghìn tấn)
	Thế giới	300
1	Trung Quốc	270
2	Hoa Kỳ	45
3	Myanmar	31
4	Úc	13
5	Nigeria	13
6	Thái Lan	13
7	Ấn Độ	2,9
8	Nga	2,5
9	Madagascar	2
10	Việt Nam	0,3

2. Đất hiếm nhẹ:

Nguyên tố đất hiếm nhẹ hay đất hiếm nhẹ (Light Rare Earth Elements - LREE) là một tập hợp con của họ lanthanide các nguyên tố đất hiếm, bản thân chúng là một nhóm kim loại chuyển tiếp đặc biệt. Giống như các kim loại khác, LREE vẻ ngoài dạng kim loại sáng bóng và các phức chất có màu trong dung dịch, dẫn nhiệt, điện, tạo thành nhiều hợp chất. Không có nguyên tố nào trong số này tồn tại ở dạng tinh khiết trong tự nhiên.

Mặc dù các nguyên tố này không quá “hiếm” về mặt số lượng, nhưng chúng cực kỳ khó phân lập. Mặt khác, các khoáng chất chứa nguyên tố đất hiếm không phân bố đồng đều trên toàn cầu, do đó chúng không phổ biến ở hầu hết các quốc gia và phải nhập khẩu. LREE có dải ứng dụng rộng (chẳng hạn như chế tạo nam châm, laser và hỗ trợ chụp quét y tế - MRI).

Scandium là một nguyên tố đất hiếm, nhưng không phải là LREE, vì nó có những tính chất khác biệt.

Bộ Năng lượng, Cục Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ và các phòng thí nghiệm quốc gia sử dụng một bộ tiêu chí cụ thể để phân loại các nguyên tố vào nhóm này. Các nguyên tố đất hiếm nhóm nhẹ dựa trên cấu hình electron 4f. LREE không có electron ghép đôi. Điều này khiến nhóm LREE bao gồm 8 nguyên tố có số hiệu nguyên tử từ 57 (lanthanum, không có electron 4f chưa ghép đôi) đến số hiệu nguyên tử 64 (gadolinium, có 7 electron 4f chưa ghép đôi):

(1) Lanthanum (La) được sử dụng trong các thấu kính quang học cao cấp và trong pin sạc niken-kim loại lanthanum (NiMH).

(2) Xeri (Ce) là nguyên tố phổ biến thứ 25 trong vỏ Trái Đất (do đó không hề hiếm), được sử dụng trong các bộ chuyển đổi xúc tác và oxit làm bột đánh bóng.

(3) Praseodymium (Pr) là oxit được sử dụng làm chất xúc tác trong sản xuất nhựa và được kết hợp với oxit zirconium để tạo ra chất màu vàng tươi dùng trong gốm sứ.

(4) Neodymium (Nd) được sử dụng để chế tạo nam châm siêu mạnh; nam châm neodymium-sắt-boron (NeFeB) để làm rung điện thoại di động.

(5) Promethi (Pm) được sử dụng nhằm tạo ra chất màu phát quang và làm công tắc khởi động cho đèn huỳnh quang.

(6) Samari (Sm) sử dụng trong nam châm cường độ cao và để chế tạo động cơ servo.

(7) Europium (Eu) được sử dụng để tạo ra chất phát quang, đặc biệt là màu đỏ cam của TV và màn hình máy tính.

(8) Gadolini (Gd) được sử dụng trong lò phản ứng để điều khiển các thanh nhiên liệu, kiểm soát phản ứng phân hạch và làm chất cản quang để cải thiện hình ảnh cộng hưởng từ (MRI).

Riêng nguyên tố scandium được coi là một trong những nguyên tố đất hiếm. Mặc dù là nguyên tố đất hiếm nhẹ nhất, với số nguyên tử 21, nhưng nó không được phân loại là kim loại đất hiếm nhẹ. Lý do? Về cơ bản, đó là vì một nguyên tử scandium không có cấu hình electron tương đương với cấu hình electron của các nguyên tố đất hiếm nhẹ. Giống như các nguyên tố đất hiếm khác, scandium thường tồn tại ở trạng thái hóa trị ba, nhưng các tính chất hóa học và vật lý của nó không đảm bảo việc xếp nó vào nhóm đất hiếm nhẹ, hoặc đất hiếm nặng. Không có đất hiếm trung bình, hoặc các phân loại khác, vì vậy scandium nằm trong một lớp riêng.

II. Ứng dụng chính của đất hiếm trong năng lượng tái tạo:

1. Tua bin gió:

Tua bin gió là một trong những ứng dụng quan trọng nhất của đất hiếm (REE), đặc biệt là trong việc tạo ra điện năng. Việc sản xuất tua bin gió phụ thuộc vào REE, bao gồm neodymium, praseodymium, dysprosium và terbi, được sử dụng để chế tạo nam châm vĩnh cửu cường độ cao. Những nam châm này đóng một vai trò quan trọng trong các tua bin truyền động trực tiếp, được ưa chuộng hơn nhờ hiệu suất và độ tin cậy so với các tua bin truyền động bánh răng.

Việc sử dụng REE trong tua bin gió giúp tăng hiệu suất của chúng bằng cách cho phép tạo ra những nam châm mạnh hơn và nhỏ gọn hơn. Điều này giúp các tua bin tạo ra nhiều điện hơn từ cùng một lượng gió - đồng nghĩa với việc năng lượng gió trở thành một dạng năng lượng tái tạo hiệu quả và bền vững hơn. Với việc ứng dụng năng lượng gió ngày càng tăng trên toàn cầu, nhu cầu về REE sẽ tăng đáng kể - đồng nghĩa với việc sẽ cần một chuỗi cung ứng bền vững và an toàn.

2. Xe điện (EV):

Xe điện (EV) là một ứng dụng quan trọng khác của REE, đặc biệt là trong động cơ. Nam châm Neodymium-sắt-boron (NdFeB) được sử dụng rộng rãi trong động cơ EV nhờ chất lượng từ tính cao và khả năng chống khử từ. Những đặc tính này rất quan trọng đối với hiệu suất và hiệu quả của EV, giúp xe đạt được vận tốc cao hơn và di chuyển quãng đường dài hơn chỉ với một lần sạc pin.

Việc chuyển đổi sang phương tiện di chuyển bằng điện là một yếu tố quan trọng trong nỗ lực toàn cầu nhằm giảm phát thải khí nhà kính và chống biến đổi khí hậu. Do đó, việc sử dụng REE của ngành công nghiệp ô tô đang tăng nhanh chóng. Các công ty như Tesla, BMW và Renault đang đầu tư mạnh mẽ vào việc phát triển động cơ EV hiệu quả hơn từ những vật liệu quan trọng này.

3. Tấm pin mặt trời:

Các nguyên tố đất hiếm cũng đóng vai trò then chốt trong việc sản xuất tấm pin mặt trời, đặc biệt là pin mặt trời màng mỏng. Các nguyên tố như dysprosi và xeri được sử dụng để cải thiện hiệu suất và độ bền của các pin này. Pin mặt trời màng mỏng được biết đến với đặc tính nhẹ và linh hoạt, khiến chúng phù hợp với nhiều ứng dụng - từ lắp đặt trên mái nhà, đến bộ sạc năng lượng mặt trời di động.

Việc kết hợp REE vào tấm pin mặt trời giúp nâng cao hiệu suất chuyển đổi quang điện - tức là tốc độ chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng. Sự cải thiện này rất quan trọng để tăng tổng sản lượng của các hệ thống năng lượng mặt trời và giúp tiết kiệm chi phí. Khi nhu cầu sử dụng năng lượng mặt trời tiếp tục tăng, tầm quan trọng của đất hiếm trong lĩnh vực này ngày càng trở nên rõ ràng.

4. Hệ thống lưu trữ năng lượng:

Các thiết bị lưu trữ năng lượng, và quan trọng nhất là pin thế hệ mới, đóng vai trò quan trọng trong việc cân bằng cung cầu năng lượng trong các hệ thống năng lượng tái tạo. Đất hiếm là chìa khóa để sản xuất các loại pin này, ví dụ như pin lithium-ion, được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng từ xe điện đến lưu trữ lưới điện.

Pin lithium-ion được cải tiến thông qua việc bổ sung REE (như lanthanum và xeri) giúp tăng cường mật độ năng lượng, tuổi thọ và độ an toàn. Những cải tiến này rất quan trọng để đảm bảo năng lượng tái tạo có thể được lưu trữ hiệu quả và đáng tin cậy, cung cấp nguồn điện ổn định ngay cả khi trời không nắng, hoặc gió không thổi. Tầm quan trọng của các sản phẩm lưu trữ năng lượng tái tạo đang ngày càng tăng, và cùng với đó, nhu cầu về REE cho việc lưu trữ năng lượng tái tạo cũng tăng theo.

5. Sản xuất Hydro:

Sản xuất hydro xanh bằng phương pháp điện phân sử dụng REE trong các bộ phận khác nhau của thiết bị điện phân. Thiết bị điện phân là những cỗ máy phân tách nước thành hydro, oxy bằng cách sử dụng điện, và REE giúp chúng hoạt động hiệu quả, bền bỉ hơn.

Các nguyên tố của REE như ytri, hay xeri được sử dụng trong màng và chất xúc tác của thiết bị điện phân, giúp chúng hoạt động hiệu quả hơn, cũng như tiêu thụ ít năng lượng hơn. Việc cung cấp hydro xanh là cốt lõi của nền kinh tế hydro, hướng đến việc sử dụng hydro làm chất mang năng lượng sạch cho các ứng dụng đa dạng - từ pin nhiên liệu, đến các quy trình công nghiệp. Các bộ điện phân tốt hơn với sự hỗ trợ của REE đóng vai trò then chốt trong việc mở đường cho việc ứng dụng rộng rãi hydro như một nguồn năng lượng tái tạo.

6. Bộ chuyển đổi xúc tác:

Mặc dù không phải là công nghệ năng lượng tái tạo trực tiếp, nhưng các bộ chuyển đổi xúc tác dựa trên REE (như xeri) đóng vai trò quan trọng trong việc giảm lượng khí thải từ động cơ. Các bộ chuyển đổi này giúp phân hủy các chất ô nhiễm có hại trong khí thải thành các thành phần ít độc hại hơn, giảm thiểu tác hại đến môi trường.

Việc sử dụng REE trong các bộ chuyển đổi xúc tác là một phần của nỗ lực rộng lớn hơn nhằm nâng cao hiệu quả năng lượng và giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Khi thế giới đang hướng tới các nguồn năng lượng sạch hơn, công nghệ giảm thiểu tác động môi trường của các động cơ đốt trong hiện tại vẫn còn quan trọng. Việc sử dụng REE sẽ thu hẹp khoảng cách giữa các hệ thống năng lượng hiện tại và công nghệ năng lượng tái tạo trong tương lai.

III. Khả năng tái chế của REE:

Các nguyên tố đất hiếm có bền vững không? Đây là câu hỏi dư luận quan tâm, đặc biệt là làm thế nào chúng ta có thể tái chế các sản phẩm có chứa đất hiếm để biến việc này thành một hoạt động bền vững hơn?

Với hàng trăm nghìn tấn sản phẩm chứa đất hiếm được sản xuất mỗi năm, tái chế vẫn là chiến lược bền vững nhất để giảm nhu cầu sơ cấp. Tái chế không chỉ giúp bảo tồn những vật liệu quan trọng này, mà còn giảm thiểu tác động môi trường liên quan đến việc khai thác và chế biến đất hiếm mới.

1. Cơ hội trong tái chế pin: Tái chế kim loại từ pin hết hạn sử dụng mang đến cơ hội đáng kể để giảm nhu cầu về kim loại trong pin (bao gồm coban, lithium, niken và mangan). Ví dụ, việc tái chế pin lithium-ion có thể thu hồi các vật liệu có giá trị, thiết yếu cho việc sản xuất pin mới. Quá trình này không chỉ bảo tồn tài nguyên, mà còn giảm thiểu các mối nguy hại đối với môi trường do việc thải bỏ pin gây ra.

2. Một giải pháp lý tưởng để giảm nhu cầu về đất hiếm trong năng lượng gió, cũng như xe điện (EV) là tái sử dụng và tái chế nam châm đất hiếm hiện có. Tua bin gió và động cơ điện đã ngừng sản xuất là nguồn tuyệt vời cho đất hiếm tái chế, vì nam châm của chúng tương đối lớn và có thể thu hồi dễ dàng. Trong một số trường hợp, nam châm lớn có thể được tái sử dụng trực tiếp mà không cần trải qua quá trình tái chế.

Nhiều nhà sản xuất pin và xe điện đã chủ động thiết lập các sáng kiến ​​tái chế và cải thiện hiệu suất của công nghệ pin. Ví dụ, các công ty như Tesla, BMW đang đầu tư vào các hệ thống tái chế vòng kín để thu hồi đất hiếm và các vật liệu quan trọng khác từ pin đã qua sử dụng. Những sáng kiến ​​này rất quan trọng để tạo ra một chuỗi cung ứng bền vững và giảm sự phụ thuộc vào khai thác mới.

3. Ngành công nghiệp năng lượng mặt trời đã đạt được những bước tiến đáng kể trong việc giảm thiểu nhu cầu vật liệu, cải thiện hiệu suất và giảm chi phí. Tuy nhiên, cần tăng cường hơn nữa hoạt động tái chế để tránh các dòng chất thải trong tương lai và thu hồi nhiều đất hiếm hơn từ quá trình này.

Hiện nay, tái chế REE vẫn là một quá trình dài - từ khử từ, nghiền, sấy, sau đó là quá trình ngâm chiết và phương pháp tách trước khi nung lần cuối để tạo ra oxit đất hiếm hỗn hợp. Quá trình này tiêu tốn nhiều tài nguyên và đòi hỏi năng lượng đầu vào đáng kể.

Các kỹ thuật tái chế tiên tiến đang được phát triển để làm cho quy trình này hiệu quả và bền vững hơn. Ví dụ, các nhà nghiên cứu đang thử nghiệm các phương pháp ngâm chiết sinh học sử dụng vi khuẩn để chiết xuất đất hiếm từ các sản phẩm thải bỏ. Phương pháp này thân thiện với môi trường hơn và có thể giảm đáng kể chi phí, cũng như độ phức tạp của việc tái chế đất hiếm.

Khi hiểu biết về đất hiếm ngày càng tăng, hy vọng chúng ta sẽ tìm được quy trình tái chế hợp lý, hiệu quả và bền vững hơn. Bằng cách đầu tư vào công nghệ tái chế và cải thiện hiệu suất sử dụng vật liệu, chúng ta sẽ làm giảm nhu cầu chính về đất hiếm và hỗ trợ sự phát triển cho công nghệ xanh trong tương lai./.

BBT TẠP CHÍ NĂNG LƯỢNG VIỆT NAM

Link tham khảo:

1. https://en.wikipedia.org/wiki/Rare-earth_element

2. https://www.thoughtco.com/light-rare-earth-elements-lree-606665

3. ttps://www.stanfordmaterials.com/blog/major-applications-of-rare-earth-elements-in-renewable-energy.html#:~:text=Wind%20Turbines&text=The%20production%20of%20wind%20turbines,reliability%20against%20gear%2Ddriven%20counterparts.