Fortgeschrittene Materialien in der Lieferkette der Elektronik

Die Elektronikindustrie ist an schnellen Wandel und Innovation gewöhnt. Störung ist der zweite Name der Branche. In den letzten Jahren haben wir eine Reihe von Trends gesehen – von KI-gesteuerter Automatisierung bis hin zu Reshoring-Bemühungen –, die die Lieferketten der Branche neu gestalten. Doch wenn wir nach vorne blicken, verdient ein Trend mehr Aufmerksamkeit, als er bisher erhalten hat: die Rolle fortschrittlicher Materialien in den Lieferketten der Elektronik.

Während Diskussionen über Resilienz der Lieferkette, Cybersicherheit und Digitalisierung die Schlagzeilen beherrschen, wächst die Bedeutung fortschrittlicher Materialien still und leise. Diese Materialien – von neuen Legierungen bis hin zu hochmodernen Verbundstoffen und Nanomaterialien – sind entscheidend für die nächste Welle technologischer Fortschritte in Bereichen wie Quantencomputing, fortschrittliche Halbleiter und Batterien der nächsten Generation.

Die wachsende Nachfrage nach spezialisierten Materialien

Die Nachfrage nach fortschrittlichen Materialien – einschließlich topologischer Isolatoren, Graphen, Festkörperelektrolyten, Perowskitmaterialien und seltenen Erden – wächst, da die Technologie voranschreitet. Laut IndustryARC^™ wird erwartet, dass der Markt für fortschrittliche Materialien bis 2025 ein Volumen von 2,1 Billionen US-Dollar erreicht, mit einem jährlichen Wachstum von 4,5 % von 2020 bis 2025 (diese Zahlen beziehen sich auf spezialisierte Materialien quer durch die Industrien, nicht nur auf die Elektronik).

Die Elektronikindustrie erweitert ständig die Grenzen dessen, was diese Materialien leisten können. Quantencomputing beispielsweise erfordert Materialien mit einzigartigen Quanteneigenschaften – wie Überlagerung und Verschränkung – die in traditionellen elektronischen Komponenten nicht zu finden sind. Ähnlich hängt die Entwicklung von Batterien der nächsten Generation von Materialien mit höheren Energiedichten und schnelleren Lade-Entlade-Zyklen ab.

Da Unternehmen zunehmend von diesen speziellen Materialien abhängig werden, ist die Sicherung einer zuverlässigen Versorgung kritisch und doch herausfordernd. Viele dieser Materialien sind selten, schwer zu gewinnen und/oder erfordern komplexe Herstellungsprozesse. Die Herstellung dieser Materialien umfasst mehrere Verarbeitungsschritte, die oft in verschiedenen Ländern durchgeführt werden, was sie stark anfällig für Störungen macht. Dies fügt der Lieferkette der Elektronik eine Risikoebene hinzu, die nicht immer vollständig gewürdigt wird. 

Wie fortschrittliche Materialien in der modernen Elektronik verwendet werden

Topologische Isolatoren: Diese Materialien leiten Elektrizität an ihrer Oberfläche, verhalten sich jedoch in ihrem Inneren als Isolatoren. Ihre einzigartigen elektronischen Eigenschaften machen sie wertvoll für Anwendungen in der Quanteninformatik, Spintronik und fortgeschrittenen elektronischen Geräten, die einen geringen Energieverbrauch erfordern.

Graphen: Bekannt für seine außergewöhnliche elektrische Leitfähigkeit, Stärke und Flexibilität, wird Graphen in einer breiten Palette von elektronischen Anwendungen eingesetzt, einschließlich Hochgeschwindigkeitstransistoren, flexiblen Displays, Batterien und Sensoren. Es hat das Potenzial, Bereiche wie Energiespeicherung und transparente Elektronik zu revolutionieren.

Festkörper-Elektrolyte: Diese Materialien sind essenziell für die Entwicklung von Batterien der nächsten Generation, wie z.B. Festkörper-Lithium-Ionen-Batterien. Festkörper-Elektrolyte ermöglichen eine sicherere, effizientere Energiespeicherung für Elektrofahrzeuge, Verbraucherelektronik und Netzspeicher, indem sie Risiken im Zusammenhang mit flüssigen Elektrolyten reduzieren.

Perowskit-Materialien: Perowskite erlangen Aufmerksamkeit für ihre Verwendung in Solarzellen, wo sie Sonnenlicht effizienter als traditionelle siliziumbasierte Technologien in Elektrizität umwandeln können. Sie werden auch für den Einsatz in Leuchtdioden (LEDs), Lasern und Sensoren evaluiert.

Seltene Erden: Diese Elemente sind unerlässlich für die moderne Elektronik, sie werden zur Herstellung leistungsstarker Magnete und Phosphore für Bildschirme sowie als Katalysatoren in verschiedenen Hightech-Anwendungen verwendet. Seltene Erden sind entscheidend für Produkte wie Smartphones, Elektrofahrzeugmotoren und Windturbinen.

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Die Auswirkungen geopolitischer Spannungen

Geopolitische Faktoren komplizieren die Situation. Viele fortschrittliche Materialien stammen aus sensiblen, unsicheren oder instabilen Regionen. Beispielsweise sind seltene Erden – einschließlich Neodym, Dysprosium, Praseodym, Samarium und Terbium – essentiell für viele Hightech-Anwendungen. Dennoch kontrolliert China etwa 60 bis 70 Prozent der weltweiten Produktion. Diese Konzentration der Versorgung schafft einen potenziellen Engpass für die globale Elektronikindustrie, insbesondere mit anhaltenden Handelsspannungen zwischen den USA und China.

Regierungen und Unternehmen arbeiten daran, die Quellen dieser Materialien zu diversifizieren, aber diese Bemühungen sind teuer und zeitaufwendig. Neue Bergbauoperationen und Verarbeitungsanlagen benötigen Jahre der Entwicklung, und die Umweltauswirkungen solcher Aktivitäten bringen zusätzliche Hindernisse mit sich. Trotz der Herausforderungen werden Unternehmen, die frühzeitig in die Sicherung alternativer Quellen oder die Entwicklung von Ersatzstoffen für diese Materialien investieren, sich wahrscheinlich in einer vorteilhaften Position befinden, wenn die Nachfrage wächst.

Reshoring und lokale Produktion

Reshoring, der Trend, die Produktion näher an den Heimatmarkt zu bringen, ist eng mit der Versorgung mit fortgeschrittenen und seltenen Materialien verknüpft. Wenn amerikanische Unternehmen die Produktproduktion zurück in die USA verlagern, müssen sie eine stabile Versorgung mit den spezialisierten Materialien sicherstellen, die für die fortgeschrittene Fertigung benötigt werden.

Fortgeschrittene Materialien erfordern oft spezialisiertes Wissen und Infrastruktur, die in vielen Regionen nicht vorhanden sind. Das bedeutet, dass selbst wenn die Fertigung näher an den Heimatmarkt verlagert wird, die meisten Hersteller immer noch auf globale Lieferketten für einige der Rohmaterialien und Komponenten angewiesen sein werden, die in ihre Produkte einfließen.

Nachhaltigkeit und die Lieferkette

Konsumenten und Regulierungsbehörden fordern umweltfreundlichere Produkte, was die Elektronikindustrie dazu drängt, Wege zu finden, Materialien nachhaltiger zu beschaffen. Das bedeutet die Entwicklung neuer, leichter recycelbarer Materialien, die einen kleineren ökologischen Fußabdruck haben. Zum Beispiel hat das Bestreben nach nachhaltigeren Batterien zur Forschung an Materialien wie Festkörper-Elektrolyten geführt, die eine höhere Leistung und weniger Umweltprobleme als die heutigen Lithium-Ionen-Batterien versprechen. Diese Materialien befinden sich jedoch noch in den frühen Entwicklungsstadien, und es wird einige Zeit dauern, sie auf die industrielle Nachfrage hochzuskalieren.

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Die Kreislaufwirtschaft & Fortgeschrittene Materialien

Da die Elektronikindustrie zunehmend unter Druck steht, sowohl Herausforderungen in der Lieferkette als auch Umweltbedenken anzugehen, gewinnt das Konzept einer Kreislaufwirtschaft an Bedeutung. Ein Modell der Kreislaufwirtschaft legt den Schwerpunkt auf die Wiederverwendung, das Recycling und die nachhaltige Beschaffung von Materialien, was besonders für fortschrittliche Materialien wichtig ist, die oft selten, teuer und/oder umweltschädlich zu gewinnen sind. Unternehmen erforschen Möglichkeiten, fortschrittliche Materialien aus Elektronik-Altgeräten zurückzugewinnen und zu recyceln, um die Abhängigkeit von volatilen globalen Lieferketten zu verringern.

Die Integration eines Kreislaufwirtschaft-Ansatzes in die Lieferkettenstrategien mindert das Risiko von Materialknappheit und reduziert gleichzeitig den ökologischen Fußabdruck, der mit dem Abbau und der Herstellung verbunden ist. Beispielsweise können geschlossene Recyclingkreisläufe für Seltenerdmagnete die Abhängigkeit von neuen Materialquellen verringern. Innovationen in der Recyclingtechnologie ermöglichen eine effizientere Rückgewinnung dieser wertvollen Materialien und bieten eine nachhaltigere Alternative zum Abbau.

Unternehmen, die das Denken der Kreislaufwirtschaft in ihre Materialbeschaffung und -verwendung integrieren, werden sich besser positionieren, um regulatorischen Anforderungen gerecht zu werden und die Widerstandsfähigkeit der Lieferkette zu stärken. Da die Nachfrage nach fortschrittlichen Materialien in den kommenden Jahren weiter steigen wird, muss die Elektronikindustrie kollektiv eine Perspektive der Kreislaufwirtschaft annehmen, um eine nachhaltigere und zuverlässigere Versorgung mit diesen wertvollen Ressourcen zu gewährleisten.

Vorbereitung auf eine materialzentrierte Zukunft

Die Rolle fortschrittlicher Materialien in der Lieferkette der Elektronik wird in den kommenden Jahren nur noch prominenter werden. Da Unternehmen weiterhin innovieren, wird die Nachfrage nach diesen Materialien wachsen und Druck auf bereits angespannte Lieferketten ausüben. Um der Entwicklung voraus zu sein, müssen Unternehmen Zeit und Ressourcen investieren, um eine zuverlässige Versorgung mit diesen einzigartigen Materialien zu sichern. Dies könnte durch direkte Investitionen in Bergbau- und Verarbeitungsanlagen, Partnerschaften mit Lieferanten oder Forschung nach alternativen Materialien erfolgen. Hersteller können durch die angemessene Beachtung fortschrittlicher Materialien langfristige Wettbewerbsfähigkeit auf einem zunehmend herausfordernden globalen Markt aufbauen.