幾年來，汽車行業(yè)一直在努力解決一個(gè)簡單的問題：有可能生產(chǎn)出一種完全不含稀土元素的強(qiáng)大、高效、可批量生產(chǎn)的同步電機(jī)嗎？通用汽車公司和初創(chuàng)公司Niron Magnetics最新宣布的合作伙伴關(guān)系表明了一個(gè)響亮的“是”。

11月，通用汽車風(fēng)險(xiǎn)投資公司、Stellantis風(fēng)險(xiǎn)投資公司和其他幾家投資者披露向Niron的氮化鐵磁體注入3300萬美元后，媒體就是這樣報(bào)道的。與此同時(shí)，通用汽車和Niron宣布，他們已同意建立戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系，共同開發(fā)“可用于未來通用汽車電動(dòng)汽車”的無稀土永磁體。

然而，許多磁學(xué)專家對此表示懷疑。他們質(zhì)疑是否有可能大規(guī)模生產(chǎn)一種不含稀土的經(jīng)濟(jì)磁鐵，這種磁鐵足夠堅(jiān)固耐用，可以用于電動(dòng)汽車推進(jìn)。特拉華大學(xué)的研究員Alexander Gabay說：“有一種化合物。”他指的是Niron正在開發(fā)的磁鐵中的氮化鐵。但“它本質(zhì)上并不能制造出一塊好的磁鐵”。

NIRON MAGNETICS

近年來，汽車制造商花費(fèi)了巨額資金，為電動(dòng)汽車主導(dǎo)的未來交通做準(zhǔn)備。部分準(zhǔn)備工作集中在稀土元素上。Adamas Intelligence的數(shù)據(jù)顯示，每100千瓦的峰值功率，電動(dòng)汽車電機(jī)平均需要使用1.2公斤釹鐵硼永磁體。對于汽車制造商來說，稀土的問題在于，到目前為止，從礦石中加工元素一直是一件典型的破壞環(huán)境的事情。

通用汽車風(fēng)險(xiǎn)投資公司的監(jiān)督負(fù)責(zé)人Kai Daniels在11月宣布與Niron合作的新聞發(fā)布會(huì)上表示：“永磁體設(shè)計(jì)是我們降低電動(dòng)汽車電機(jī)成本和環(huán)境影響的絕佳機(jī)會(huì)，同時(shí)也使我們的電動(dòng)汽車供應(yīng)鏈在北美本地化?！?/p>

通用汽車并不是唯一一家尋求無稀土永磁體的汽車制造商。在今年3月的特斯拉投資者大會(huì)上，CEO馬斯克宣布，特斯拉下一代永磁驅(qū)動(dòng)電機(jī)中完全不使用任何稀土材料。據(jù)了解，特斯拉將采用鋼做轉(zhuǎn)子的永磁輔助同步勵(lì)磁電機(jī)，或者探索新型的磁性材料作為稀土的替代。如果此方案能夠成行，將能夠大幅降低電動(dòng)汽車的原材料成本。

沒有簡單的物理和化學(xué)原理可以排除一種強(qiáng)大耐用的永磁體的可能性，這種永磁體不使用稀土元素，其磁性在高溫下仍然存在。事實(shí)上，這樣一種磁鐵已經(jīng)存在了——鉑鈷（通常也含有硼）。然而，這種磁鐵對于商業(yè)用途來說太貴了。它還需要鈷，鈷的供應(yīng)非常緊張，因此含有這種元素的磁體在永磁體市場中所占比例相對較小。

愛荷華州埃姆斯國家實(shí)驗(yàn)室的杰出科學(xué)家Matthew Kramer開玩笑說：“我稱之為大自然的'剛愎自用'。它越貴，毒性越大，產(chǎn)生的材料就越好?！?/p>

任何永磁體都必須具有鐵磁性元素，如鐵或鈷。要理解原因，請從基礎(chǔ)知識(shí)開始：當(dāng)晶體中某些原子的電子自旋被迫指向同一方向時(shí)，某些晶體材料會(huì)產(chǎn)生永磁。這些排列的自旋越多，磁性就越強(qiáng)。為此，理想的原子是那些在原子核周圍聚集著未成對電子的原子，即所謂的3d軌道。鐵有四個(gè)不成對的三維電子，鈷有三個(gè)。

但是，對于一個(gè)真正堅(jiān)固實(shí)用的永磁體來說，不成對的3d電子還不夠。為了獲得最佳性能，你需要將晶格中的這些原子與某些含有不成對4f電子的原子隔開。這些特殊的原子都屬于稀土元素。

Kramer解釋道：“稀土有著其他過渡金屬所沒有的非常有趣的潛在物理特性。這涉及到那些內(nèi)部的4f電子。它讓你有能力擁有可以將其他過渡金屬進(jìn)一步推開的原子。因?yàn)楂@得真正好的鐵磁體的訣竅是，你需要獲得很多自旋——但這些自旋都需要相對于你所觀察的過渡金屬（鐵或鈷）以適當(dāng)?shù)木嚯x分開?！?/p>

具體的稀土元素是釹、鐠、釤和鏑。這種間距的作用是在晶體中提供穩(wěn)定的鐵磁結(jié)構(gòu)，這反過來又促進(jìn)了晶體的一種固有特性，即磁各向異性。當(dāng)磁性材料的晶體與其他材料相比沿著某些軸相對容易磁化時(shí)，該材料被認(rèn)為具有強(qiáng)的磁晶各向異性。這一特性對于制造一個(gè)好的有用的永磁體至關(guān)重要，因?yàn)闆]有它，磁體就不可能具有所謂的高矯頑力，即抵抗退磁的能力。

Gabay說：“大自然不希望磁化向一個(gè)方向排列；它希望磁化分解成相反方向的磁疇。”他補(bǔ)充道：“這就是為什么你需要強(qiáng)大的各向異性來保持磁化強(qiáng)度?！?/p>

在2016年的一篇論文(https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S135964621500411X)中，內(nèi)布拉斯加大學(xué)和都柏林三一學(xué)院的研究人員分析了數(shù)十種真實(shí)和假設(shè)的永磁體材料，并提出了一個(gè)參數(shù)κ，以緊湊地表示這種硬度。他們斷言，“通過繪制κ=1的磁硬度線，緊湊型永磁體開發(fā)可能成功的經(jīng)驗(yàn)法則是材料應(yīng)該是硬的”——換句話說，κ大于1。該論文包括一個(gè)磁性材料及其κ值的表格。根據(jù)下表，電動(dòng)汽車電機(jī)中使用的標(biāo)準(zhǔn)永磁體釹鐵硼的κ為1.54。對于氮化鐵，作者給出的κ值為0.53。（順便說一句，釹鐵硼磁體是由兩組研究人員（https://ieeetv.ieee.org/channels/ieee_awards/masato-sagawa-john-croat-interview-with-glenn-zorpette-ieee-vic-summit）在20世紀(jì)80年代初（spectrum.ieee.org/the-men-who-made-the-magnet-that-made-the-modern-world）分別發(fā)明的，其中一組來自通用汽車公司。）

如果Niron找到了解決氮化鐵表面各向異性問題的方法，他們當(dāng)然會(huì)小心保護(hù)這些極具價(jià)值的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。釹磁體的全球市場每年數(shù)十億美元，而且還在增長。

當(dāng)被問及氮化鐵的各向異性問題時(shí)，Niron的首席技術(shù)官Frank Johnson，在電子郵件中回復(fù)：“磁學(xué)界的許多人的第一反應(yīng)是說，氮化鐵不能作為電動(dòng)汽車電機(jī)中稀土磁體的替代品。當(dāng)然，他們是絕對正確的。氮化鐵是一種新的磁性材料，具有自身的性能平衡。充分利用新材料需要設(shè)計(jì)優(yōu)化……與世界級(jí)的電子機(jī)械設(shè)計(jì)師合作，包括與投資者通用汽車和Stellantis一樣，這是突破性材料特性與下一代無稀土電機(jī)之間的聯(lián)系?！?/p>

在11月的新聞發(fā)布會(huì)上，通用汽車風(fēng)險(xiǎn)投資公司的Daniels和通用汽車通訊團(tuán)隊(duì)的兩名成員拒絕透露通用汽車預(yù)計(jì)氮化鐵磁體何時(shí)可以用于大眾市場的電動(dòng)汽車牽引電機(jī)。但在今年3月接受Spectrum采訪時(shí)，Niron的執(zhí)行副總裁Andy Blackburn表示，適用于電動(dòng)汽車電機(jī)的磁鐵最快可能在2025年上市。

審核編輯：彭菁