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减少关键原料的依赖：稀土的减量与替代

2023-04-17 10:33阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/5419289853

芮嘉玮／台湾财团法人中技社 能源暨产业研究中心组长 随着电动车普及率增加，占比也随之攀高，预估2030年全球电动车销售量上看3,000万台。电动车指标车厂特斯拉（Tesla Inc.）已嗅觉原物料供应链至关重要、是竞争优势的来源，为此已开始布局往上游移动、跨入原物料领域，其他汽车业者预料也会跟进。电动车对稀土的需求比传统车型多25倍，例如丰田汽车制造一台电动车Prius就需要25公斤的稀土，而普通的内燃引擎汽车仅需一公斤左右。在电动车电池等高科技产品的需求年年增加之际，稀土需求飙升，制造商不得不受限于稀土的供应源。然而，2018下半年，中国调降36%之稀土开采、提炼配额，此举给世界各地的制造商造成恐慌，驱使各国开始寻找新的替代方案，加速开发稀土减量替代的先进技术。
减少关键原料的依赖：稀土的减量与替代
稀土减量技术
基于环保意识、稀土资源有限性及其使用成本的大幅度提高，开发少稀土甚至无稀土类高性能永磁材料愈来愈成为世界各国磁性材料研究的重要方向之一。在重稀土元素减量使用技术上可采用低阶稀土或使用较便宜的稀土替代。一般来说，轻稀土元素如镨（Pr）、钕（Nd）等元素的价格是重稀土元素的十分之一甚至几十分之一。近年的研究表明，透过晶界扩散不但能引入镝（Dy）、铽（Tb）等重稀土元素提高主相晶粒表面的各向异性场，也可以引入镨（Pr）、钕（Nd）等轻稀土元素甚至铝（Al）、铜（Cu）等非稀土元素进行晶界相调控，例如中国专利CN113808839A，以提高矫顽力。但目前，这些不含重稀土的扩散剂对矫顽力的提升效果仍然不如重稀土扩散剂，有待业者持续研究开发适合工业上一般使用之不含重稀土的扩散剂，例如合理利用轻稀土或非稀土扩
散剂，以制备出高矫顽力高磁能积的商用钕铁硼磁体，是目前业内急需解决的问题之一。
近年美国能源部艾姆斯国家实验室（Ames National Laboratory）开发出一种新材料可能会减少或替代永磁体中之稀土元素[1]。研究团队表示，由于铈是一种含量非常丰富且容易提炼的稀土金属，为此开发一种无重稀土元素（Heavy Rare Earth Element-Free, HREE-Free）的铈钴化合物，分别为CeCo3和 CeCo5，有机会降低钕（Nd）、镝（Dy）的用量。以CeCo3为例，添入合金可从顺磁体（paramagnet）转变为铁磁体（ferromagnet），再加入镁金属即可转变成永久磁铁，有助缓解钕（Nd）、镝（Dy）等稀土供应的挑战；但其性能尚不如稀土磁铁，现在仍无法取代钕铁硼强力永久磁铁，不过已经可替代一些较低阶的磁铁，逐渐减少稀土的含量。
稀土替代技术
用于电动汽车驱动用的马达，常因启动、超车等加速性能而要求马达能够提供瞬时的峰值转矩，此时电动汽车用之永久磁铁式旋转电机，为了产生该峰值转矩而将转子的永久磁铁采用磁能积较大的稀土类磁铁，该稀土类磁铁常常为了耐受高温环境而添加了重稀土元素镝（Dy）。镝（Dy）虽具有高的矫顽磁场强度而有助于稳定永磁体，但镝资源枯竭的风险高，为了回避此风险而有必要考虑易于获取的无稀土永久磁铁材料，使得新型无稀土永磁的研究与开发成为磁性材料领域的研究热点，生产不使用稀土之永磁同步马达的需求也日益增加，包括丰田汽车（Toyota Motor Corp）、日产汽车（Nissan Motor Co）、BMW和福斯汽车（Volkswagen AG）等汽车大厂都正在探索基于环保和可用材料的无稀土永磁体技术。
无稀土永磁体依其永磁材料成分组成可分为铁氧体（Ferrite）、MnBi基永磁体、MnAl基永磁体、MnGa基永磁体四个分类。
以铁氧体（Ferrite）为例，日本电装（Denso Corp.）于2013年申请美国专利US9006949B2（主张最早优先权日2012年2月13日，申请号：特愿2012-027910），涉及用于混合电动车且具有双定子结构的双定子同步马达，该双定子同步马达因使用铁氧体磁体代替稀土磁体，有效地提供一种能够在不使用任何稀土磁体或使用少量稀土磁体的情况下仍然能够产生高输出扭矩的双定子同步马达[2]。又，2014年发表一篇期刊，涉及一种用于电动车应用之新型多气隙槽形线圈马达（multi air gap motor with trench-shaped coil）。与传统的单气隙马达相比，新型多气隙槽形线圈马达在不含稀土磁体的情况下仍具有高扭矩，因为它具有多个气隙和铁氧体永磁体辅助分段转子磁极[3]。从该专利及期刊可看出日本电装（Denso Corp.）正在研究发展一种兼及无稀土磁体的低成本和高扭矩马达的可能性。
以MnBi基永磁体为例，丰田汽车旗下北美事业公司（Toyota Motor Engineering & Manufacturing, North America, Inc.，简称TEMA）申请美国专利US10410773B2，该专利涉及锰铋（MnBi）奈米粒子的合成和退火，具体而言，系关于一种用以制备具有5至200nm粒径的MnBi奈米粒子的湿化学方法，当在0 到3 T的场中以550到600K退火时，该奈米粒子表现出大约1 T的矫顽力，且适合用作永磁材料[4]。图1左侧显示铁磁性MnBi存在于MnBi相图的所谓「低温相」区域中，在它的上方存在所谓「高温相」，且该高温相显示出反铁磁性行为。图1右侧显示当将该湿式合成MnBi奈米粒子加热至800K的温度时，诱发从铁磁性低温相至反铁磁性高温相的变化。
图1 .MnBi相图及加热形成高温相的MnBi奈米粒子相变化
减少关键原料的依赖：稀土的减量与替代
图片来源：USPTO
以MnAl基永磁体为例，中国同济大学申请一种非稀土MnAl永磁合金的制备方法专利[5]，是将熔融金属浇注到模具中得到合金锭，然后将合金锭送入真空加热炉，得到淬火合金锭。该MnAl永磁合金系以Mn60-xAl40+x化学式表示其组成，其中X=0～10。另，杭州电子科技大学申请一种包括锰、铝、铜和碳的无稀土永磁合金[6]，该MnAlCuC永磁合金，分子式为Mn50+zAl50-x-zCuxCy，其中x=1～4，y=1～3，z=0～2。
MnGa合金的专利相对较少，但有发现MnGa合金磁硬化方面的研究，包括中国专利CN107622852A涉及一种在不改变四方MnxGa合金物相和晶粒尺寸的基础上，透过在MnxGa合金粉末中引入微观应变而直接获得高矫顽力的方法，以及中国专利CN106816253B系涉及透过合金塑性变形得到致密的磁硬化Mn-Ga合金磁体的方法。
整体而言，使用无稀土方案来降低永磁电机的成本，同时又能保持电机效率不减为技术上的目标。就无稀土永磁技术的专利权人中发现，Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc.的专利技术表现最为亮眼，其次为Ford Global Technologies, LLC，展现其对无稀土永磁电机技术投入丰富的资源及技术研发能力，也嗅觉出日、美汽车大厂企图摆脱对中国稀土依赖的决心[7]。
力甩永磁 一劳永逸
目前电动车使用磁铁的马达，内部都有旋转的接触装置，将电力传输到转子的铜线圈。德国汽车零组件公司马勒（Mahle）日前发表新的马达，它是一种无磁电动马达，因为没有磁铁，因此完全不需要使用稀土金属，让电动车供应链更符合环境永续[8]。Mahle不使用磁铁，而是在马达转子中使用供电线圈，利用电感技术将动力传递给旋转中的转子，因此无磁马达不需要接触装置，消除了应力点，避免机械磨损，让马达效率更高、更耐用，成本更低且更环保[9]。
观点：开发不含稀土的马达就能减少关键原料的依赖
新冠肺炎及芯片缺货雪上加霜带来供应链危机，国际间俄乌大战再度重创供应链，促使各大车厂开始思考供应链布局，而使用不含稀土的马达就能减少关键原料的依赖。为了提供环保与供应链问题的新解方，驱使原本严重依赖中国稀土的汽车大厂开始在无稀土永磁电机技术方面有了新的突破。稀土资源丰富的中国，还能有多久的优势，有待时间上的观察与验证。
【本文论述仅为作者见解，不代表其任职单位之立场。】
完整文章请见：减少关键原料的依赖：稀土的减量与替代

本期所有文章请见：132期北美智权报
备注：
  1. Scott McMahan, New Materials May Reduce or Replace Rare-Earth Elements in Strong Permanent Magnets, 2019 April 3, https://eepower.com/news/new-materials-may-reduce-or-replace-rare-earth-elements-in-strongest-permanent-magnets/
  2. US9006949B2, Synchronous motor, Denso Corporation, Patent issueed on 2015 April 14.
  3. Keiji KONDO, Takeo MAEKAWA and Shin KUSASE, 2014, A New Multi Air Gap Motor with Trench Shaped Coil for HEV Applications, 论文7 (denso.com)
  4. US10410773B2, Synthesis and annealing of manganese bismuth nanoparticles, Patent issued on 2019 September 10.
  5. CN104593625B，一种无稀土MnAl永磁合金的制备方法，同济大学，专利公告日2017年2月22日。
  6. CN106997800A，一种无稀土MnAlCuC永磁合金及其制备方法，杭州电子科技大学，专利公告日2018年12月7日。
  7. 芮嘉玮，电动车用马达之无稀土永磁技术专利分析，专利师季刊47期，2021年10月，页12-36。
  8. Bob Yirka, Mahle developing magnet-free electric motor that does not require rare earth elements, 2021 May 18, https://techxplore.com/news/2021-05-mahle-magnet-free-electric-motor-require.html
  9. https://www.mahle.com/en/news-and-press/press-releases/mahle-develops-highly-efficient-magnet-free-electric-motor--82368


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