扩大铈磁体部署，以实现轻稀土的平衡与可持续利用

《Resources, Conservation and Recycling》：Expanding cerium magnet deployment for balanced and sustainable use of light rare earths

　　稀土元素（REEs）在地质上是共生共存的，但在下游高度分化的市场中使用。钕铁硼磁体使用的快速扩张使钕（Nd）和镨（Pr）成为轻稀土生产的主要驱动力，从而导致具有应用极为有限的镧（La）和铈（Ce）大量且日益增长的过剩。然而，作为钕铁硼磁体重要替代品的铈磁体正快速发展，并具有扩大铈使用量的巨大潜力。本文开发了一种物质流分析框架，以量化中国历史及未来的铈过剩量，并评估在钕铁硼需求路径和铈磁体采用水平九种情景组合下铈磁体的缓解潜力。我们发现，1990至2025年间铈过剩量从2 kt增加到51 kt。在铈磁体部署仍然有限的情景下，预计到2050年过剩量将扩大至244–295 kt。在所有情景组合下，中国的铈磁体需求到2050年可能达到163–453 kt，可缓解预计铈过剩量的25%（保守铈磁体采用和积极钕铁硼需求情景）到97%（积极铈磁体采用和适度钕铁硼需求）。在适度情景下，铈磁体可通过在铈磁体生产中的直接铈利用缓解预计铈过剩量的25%，并通过部分替代钕铁硼磁体以避免共生铈供应额外缓解44%。本研究揭示了共生稀土系统中固有的结构性元素失衡，并展示了需求侧技术替代如何重新平衡物质流。稀土元素（REEs）对现代技术不可或缺，支撑着从永磁体、催化剂到电子产品和能源技术等多种应用（Du and Graedel, 2013; Kim et al., 2021; Raabe, 2023; Sovacool et al., 2020）。然而，与许多可以根据个别市场需求调整产量的工业材料不同，稀土元素是从具有强耦合地质分布的矿床中地质共生产的（Chen et al., 2024; Nassar, Graedal, and Harper, 2015）。因此，个别稀土元素的供应紧密相互关联，而它们的下游应用则高度分化（Du and Graedel, 2013）。这种耦合生产与解耦消费之间的不匹配，为平衡个别稀土元素的供需带来了固有的挑战（Wang et al., 2020a; Zheng et al., 2023）。在当前的稀土行业中，需求增长日益由永磁体元素驱动，尤其是钕（Nd）和镨（Pr）（Alonso et al., 2023; Du and Graedel, 2011; Goodenough, Wall, and Merriman, 2018; Guyonnet et al., 2015）。相比之下，丰富的元素，尤其是镧（La）和铈（Ce），主要消耗于传统应用，其增长潜力相对有限（Tan et al., 2024; Xiao et al., 2022）。这在稀土系统中造成了结构性失衡：磁体相关元素的扩张伴随着共伴生元素过剩的积累（Elshkaki and Graedel, 2014; Zheng et al., 2023）。铈是这种失衡的最典型案例（Nguyen and Imholte, 2016）。作为最丰富的轻稀土之一，铈在许多矿床中约占稀土含量的50%（Tan et al., 2024）。然而，铈的消耗仍然主要集中在传统应用中，包括玻璃和陶瓷、抛光粉、催化剂和合金，这些应用的增速一般慢于新兴的钕铁硼磁体市场（Alonso et al., 2023; Tan et al., 2024）。相比之下，磁体驱动元素一般仅占稀土资源的约25%–30%（W. Chen et al., 2018; Geng et al., 2020, Geng et al., 2021; Liu et al., 2022）。因此，为满足磁体相关稀土需求而扩大生产，不可避免地会产生数量大得多的铈（Tan et al., 2024）。此外，这种失衡在未来几十年可能加剧（Alonso et al., 2012a; Zheng et al., 2023）。低碳转型将继续增加对永磁体的需求，进一步加强磁体驱动的稀土生产（Alonso et al., 2012a; Dai et al., 2023; Habib and Wenzel, 2014; Rademaker, Kleijn, and Yang, 2013; Schulze and Buchert, 2016）。如果未来稀土需求仍然由钕铁硼磁体主导，而铈和其他丰富的轻稀土没有相当的需求路径出现，则共生供应与下游利用之间的不匹配将日益明显。铈磁体作为一种有前景的途径，通过将铈整合到不断扩张的钕铁硼磁体系统中来解决这种失衡（Amon, 2025; Shao, 2025）。作为一类含铈永磁体，铈磁体用丰富的铈部分替代钕和镨等磁体关键元素，使更多丰富的稀土资源得以利用（Chouhan, 2018; Delette, 2023）。近年来，铈磁体的研究和工业发展加速，特别是对于成本和性能优化比最大化磁性能更重要的中低性能磁体市场（Shao, 2025）。与传统铈应用不同，铈磁体将铈需求与快速增长的永磁体市场联系起来。因此，铈磁体越来越多地被视为不仅是替代磁材料，也是共生稀土系统潜在的资源平衡策略（Golev, 2014）。因此，量化铈磁体未来需求潜力、额外铈需求和过剩缓解对于评估铈磁体是否能作为资源平衡策略至关重要。现有稀土元素物质流系统研究主要集中在未来需求（Alonso et al., 2012a; Dai et al., 2023; Li et al., 2020; Li et al., 2019）、供应风险（Habib and Wenzel, 2014; Schlichenmaier and Naegler, 2022; Valero et al., 2018）以及磁体关键元素的关键性（Nassar, Du, and Graedel, 2015; Xiao et al., 2022; Zhao et al., 2023）。较少研究量化了历史铈流并识别了中国稀土系统中结构性过剩的出现（Elshkaki and Graedel, 2014; Zheng et al., 2023）。然而，这些研究主要集中于诊断历史失衡，对缓解这种失衡的潜在路径探讨不足。特别是，新兴需求侧技术（如可将丰富的铈整合到不断扩张的永磁体市场中的含铈磁体）的作用尚未进行定量评估。铈磁体不仅可能创造额外的铈需求，还可能通过部分替代钕铁硼磁体减少磁体驱动元素的生产，从而避免部分共生铈供应。直接吸收效应和间接避免共生产效应很少被一起量化。本文开发了一种综合物质流分析框架，以研究中国的铈过剩并评估铈磁体在实现更平衡的轻稀土利用中的作用。我们首先通过整合国内生产、国际贸易和下游消耗追溯了1990至2025年中国的铈物质流。然后，我们在没有大规模部署铈磁体的永磁体驱动稀土生产系统下预测未来的铈过剩。最后，我们量化了铈磁体的未来需求潜力，并通过直接吸收和避免共生产机制评估了其缓解效果。本研究开发了一种综合物质流分析（MFA）框架，以量化中国的铈过剩并评估铈磁体重平衡共生稀土的潜力。稀土系统被视为相互关联的生产系统，个别元素从矿物资源共同供应，但在下游需求上存在差异。在这种视角下，铈过剩并非被视作孤立的供需问题，而是……不匹配的结果。我们首先通过整合国内生产、国际贸易和下游消耗追溯了1990至2025年中国的铈物质流。图2展示了2025年的铈物质流，其他代表年份的物质流见补充信息。在供应方面，中国铈产量从1990年的5.1 kt大幅增加至2025年的124 kt。2025年，白云鄂博混合稀土矿贡献了94 kt的铈，约占……稀土元素的可持续平衡利用传统上是在关键性评估（Nassar, Du, and Graedel, 2015; Xiao et al., 2022; Zhao et al., 2023）、回收（Ciacci et al., 2019; van Nielen et al., 2023; Rademaker, Kleijn, and Yang, 2013; Schulze and Buchert, 2016）和关键元素（特别是钕和镨）的替代（Pavel et al., 2017）方面进行讨论的。然而，我们的结果突出了共生稀土的另一个基本但较少被认识的维度……稀土元素通过地质共生产相互关联，但它们的下游需求日益解耦。本研究证明，这种生产与利用之间的解耦可在稀土系统内产生持续的元素失衡。以铈为代表案例，我们揭示了钕铁硼磁体应用的快速扩张使稀土生产转向磁体关键元素。与此同时，共生的铈被留下……**Wei Chen：** 写作 – 原稿撰写，方法论，数据整理，概念构思。**Shen Zhao：** 方法论，数据整理。**Wei-Qiang Chen：** 写作 – 审阅与编辑，资金获取，概念构思。作者声明，他们没有任何已知的相互竞争的财务利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。本研究由**中国国家自然科学基金**资助（编号72525006、72542008）以及**行业项目**（编号ZXYJ2025K002）资助。