通用汽车与Stellantis布局无稀土永磁铁

SARA RUBINSTEIN/GM

几年来，汽车行业一直在努力解决一个简单的问题：有可能生产出一种完全不含稀土元素的强大、高效、可批量生产的同步电机吗？通用汽车公司和初创公司Niron Magnetics最新宣布的合作伙伴关系表明了一个响亮的“是”。

11月8日，通用汽车风险投资公司、Stellantis风险投资公司和其他几家投资者披露向Niron的氮化铁磁体注入3300万美元后，媒体就是这样报道的。与此同时，通用汽车和Niron宣布，他们已同意建立战略合作伙伴关系，共同开发“可用于未来通用汽车电动汽车”的无稀土永磁体。

然而，许多磁学专家对此表示怀疑。他们质疑是否有可能大规模生产一种不含稀土的经济磁铁，这种磁铁足够坚固耐用，可以用于电动汽车推进。特拉华大学的研究员Alexander Gabay说：“有一种化合物。”他指的是Niron正在开发的磁铁中的氮化铁。但“它本质上并不能制造出一块好的磁铁”。

NIRON MAGNETICS

近年来，汽车制造商花费了巨额资金，为电动汽车主导的未来交通做准备。部分准备工作集中在稀土元素上。Adamas Intelligence的数据显示，每100千瓦的峰值功率，电动汽车电机平均需要使用1.2公斤钕铁硼永磁体。对于汽车制造商来说，稀土的问题在于，到目前为止，从矿石中加工元素一直是一件典型的破坏环境的事情。

通用汽车风险投资公司的监督负责人Kai Daniels在11月宣布与Niron合作的新闻发布会上表示：“永磁体设计是我们降低电动汽车电机成本和环境影响的绝佳机会，同时也使我们的电动汽车供应链在北美本地化。”

通用汽车并不是唯一一家寻求无稀土永磁体的汽车制造商。在今年3月的特斯拉投资者大会上，CEO马斯克宣布，特斯拉下一代永磁驱动电机中完全不使用任何稀土材料。据了解，特斯拉将采用钢做转子的永磁辅助同步励磁电机，或者探索新型的磁性材料作为稀土的替代。如果此方案能够成行，将能够大幅降低电动汽车的原材料成本。

没有简单的物理和化学原理可以排除一种强大耐用的永磁体的可能性，这种永磁体不使用稀土元素，其磁性在高温下仍然存在。事实上，这样一种磁铁已经存在了——铂钴（通常也含有硼）。然而，这种磁铁对于商业用途来说太贵了。它还需要钴，钴的供应非常紧张，因此含有这种元素的磁体在永磁体市场中所占比例相对较小。

爱荷华州埃姆斯国家实验室的杰出科学家Matthew Kramer开玩笑说：“我称之为大自然的'刚愎自用'。它越贵，毒性越大，产生的材料就越好。”

任何永磁体都必须具有铁磁性元素，如铁或钴。要理解原因，请从基础知识开始：当晶体中某些原子的电子自旋被迫指向同一方向时，某些晶体材料会产生永磁。这些排列的自旋越多，磁性就越强。为此，理想的原子是那些在原子核周围聚集着未成对电子的原子，即所谓的3d轨道。铁有四个不成对的三维电子，钴有三个。

但是，对于一个真正坚固实用的永磁体来说，不成对的3d电子还不够。为了获得最佳性能，你需要将晶格中的这些原子与某些含有不成对4f电子的原子隔开。这些特殊的原子都属于稀土元素。

Kramer解释道：“稀土有着其他过渡金属所没有的非常有趣的潜在物理特性。这涉及到那些内部的4f电子。它让你有能力拥有可以将其他过渡金属进一步推开的原子。因为获得真正好的铁磁体的诀窍是，你需要获得很多自旋——但这些自旋都需要相对于你所观察的过渡金属（铁或钴）以适当的距离分开。”

具体的稀土元素是钕、镨、钐和镝。这种间距的作用是在晶体中提供稳定的铁磁结构，这反过来又促进了晶体的一种固有特性，即磁各向异性。当磁性材料的晶体与其他材料相比沿着某些轴相对容易磁化时，该材料被认为具有强的磁晶各向异性。这一特性对于制造一个好的有用的永磁体至关重要，因为没有它，磁体就不可能具有所谓的高矫顽力，即抵抗退磁的能力。

Gabay说：“大自然不希望磁化向一个方向排列；它希望磁化分解成相反方向的磁畴。”他补充道：“这就是为什么你需要强大的各向异性来保持磁化强度。”

在2016年的一篇论文(https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S135964621500411X)中，内布拉斯加大学和都柏林三一学院的研究人员分析了数十种真实和假设的永磁体材料，并提出了一个参数κ，以紧凑地表示这种硬度。他们断言，“通过绘制κ=1的磁硬度线，紧凑型永磁体开发可能成功的经验法则是材料应该是硬的”——换句话说，κ大于1。该论文包括一个磁性材料及其κ值的表格。根据下表，电动汽车电机中使用的标准永磁体钕铁硼的κ为1.54。对于氮化铁，作者给出的κ值为0.53。（顺便说一句，钕铁硼磁体是由两组研究人员（https://ieeetv.ieee.org/channels/ieee_awards/masato-sagawa-john-croat-interview-with-glenn-zorpette-ieee-vic-summit）在20世纪80年代初（spectrum.ieee.org/the-men-who-made-the-magnet-that-made-the-modern-world）分别发明的，其中一组来自通用汽车公司。）

如果Niron找到了解决氮化铁表面各向异性问题的方法，他们当然会小心保护这些极具价值的知识产权。钕磁体的全球市场每年数十亿美元，而且还在增长。

当被问及氮化铁的各向异性问题时，Niron的首席技术官Frank Johnson，在电子邮件中回复：“磁学界的许多人的第一反应是说，氮化铁不能作为电动汽车电机中稀土磁体的替代品。当然，他们是绝对正确的。氮化铁是一种新的磁性材料，具有自身的性能平衡。充分利用新材料需要设计优化……与世界级的电子机械设计师合作，包括与投资者通用汽车和Stellantis一样，这是突破性材料特性与下一代无稀土电机之间的联系。”

在11月的新闻发布会上，通用汽车风险投资公司的Daniels和通用汽车通讯团队的两名成员拒绝透露通用汽车预计氮化铁磁体何时可以用于大众市场的电动汽车牵引电机。但在今年3月接受Spectrum采访时，Niron的执行副总裁Andy Blackburn表示，适用于电动汽车电机的磁铁最快可能在2025年上市。