幾年來，汽車行業(yè)一直在努力解決一個簡單的問題：有可能生產(chǎn)出一種完全不含稀土元素的強大、高效、可批量生產(chǎn)的同步電機嗎？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)系表明了一個響亮的“是”。

11月，通用汽車風險投資公司、Stellantis風險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，媒體就是這樣報道的。與此同時，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汽車”的無稀土永磁體。

然而，許多磁學專家對此表示懷疑。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)濟磁鐵，這種磁鐵足夠堅固耐用，可以用于電動汽車推進。特拉華大學的研究員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，汽車制造商花費了巨額資金，為電動汽車主導的未來交通做準備。部分準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，電動汽車電機平均需要使用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。

通用汽車風險投資公司的監(jiān)督負責人Kai Daniels在11月宣布與Niron合作的新聞發(fā)布會上表示：“永磁體設(shè)計是我們降低電動汽車電機成本和環(huán)境影響的絕佳機會，同時也使我們的電動汽車供應鏈在北美本地化。”

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上，CEO馬斯克宣布，特斯拉下一代永磁驅(qū)動電機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磁電機，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汽車的原材料成本。

沒有簡單的物理和化學原理可以排除一種強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驗室的杰出科學家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。”

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)知識開始：當晶體中某些原子的電子自旋被迫指向同一方向時，某些晶體材料會產(chǎn)生永磁。這些排列的自旋越多，磁性就越強。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。鐵有四個不成對的三維電子，鈷有三個。

但是，對于一個真正堅固實用的永磁體來說，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一步推開的原子。因為獲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?shù)木嚯x分開。”

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)，這反過來又促進了晶體的一種固有特性，即磁各向異性。當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，該材料被認為具有強的磁晶各向異性。這一特性對于制造一個好的有用的永磁體至關(guān)重要，因為沒有它，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方向排列；它希望磁化分解成相反方向的磁疇。”他補充道：“這就是為什么你需要強大的各向異性來保持磁化強度。”

在2016年的一篇論文(https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S135964621500411X)中，內(nèi)布拉斯加大學和都柏林三一學院的研究人員分析了數(shù)十種真實和假設(shè)的永磁體材料，并提出了一個參數(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)驗法則是材料應該是硬的”——換句話說，κ大于1。該論文包括一個磁性材料及其κ值的表格。根據(jù)下表，電動汽車電機中使用的標準永磁體釹鐵硼的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，他們當然會小心保護這些極具價值的知識產(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。

當被問及氮化鐵的各向異性問題時，Niron的首席技術(shù)官Frank Johnson，在電子郵件中回復：“磁學界的許多人的第一反應是說，氮化鐵不能作為電動汽車電機中稀土磁體的替代品。當然，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)計優(yōu)化……與世界級的電子機械設(shè)計師合作，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之間的聯(lián)系。”

在11月的新聞發(fā)布會上，通用汽車風險投資公司的Daniels和通用汽車通訊團隊的兩名成員拒絕透露通用汽車預計氮化鐵磁體何時可以用于大眾市場的電動汽車牽引電機。但在今年3月接受Spectrum采訪時，Niron的執(zhí)行副總裁Andy Blackburn表示，適用于電動汽車電機的磁鐵最快可能在2025年上市。

審核編輯：彭菁