這是一個(gè)驚人的發(fā)現(xiàn)，讓大多數(shù)永磁專家都感到警惕和困惑。特拉華大學(xué)的研究員Alexander Gabay直截了當(dāng)?shù)卣f：“我懷疑在不久的將來任何非稀土永磁體都可以用于同步牽引電機(jī)。” 在瑞典的烏普薩拉大學(xué)，物理學(xué)家Alena Vishina闡述道，“我不確定是否有可能只使用不含稀土的材料來制造強(qiáng)大而高效的電機(jī)。”
在最近的一次磁學(xué)會(huì)議上，位于阿靈頓的德克薩斯大學(xué)教授Ping Liu詢問其他研究人員他們對(duì)特斯拉的聲明有何看法。“沒有人完全理解這一點(diǎn)，”他報(bào)告說。（特斯拉沒有回復(fù)要求詳細(xì)說明Campbell評(píng)論的電子郵件。）
特斯拉的技術(shù)實(shí)力不容小覷。但另一方面，這家公司——尤其是它的首席執(zhí)行官——有過偶爾做出聳人聽聞的聲明但沒有成功的歷史（例如，我們?nèi)栽诘却?5,000 美元的 Model 3 ）。
這里的問題是物理學(xué)，即使是特斯拉也無法改變。當(dāng)晶體中某些原子的電子自旋被迫指向同一方向時(shí)，某些晶體材料就會(huì)出現(xiàn)永磁現(xiàn)象。這些對(duì)齊的自旋越多，磁性越強(qiáng)。為此，理想的原子是那些未配對(duì)的電子在所謂的3d 軌道中圍繞原子核聚集的原子。頂部是鐵，有四個(gè)不成對(duì)的 3d 電子，頂部是鈷，則有三個(gè)。
但僅憑 3d 電子還不足以制造超強(qiáng)磁鐵。正如研究人員幾十年前發(fā)現(xiàn)的那樣，通過在 4f 軌道上添加具有未成對(duì)電子的晶格原子，尤其是稀土元素釹、釤和鏑，可以大大提高磁強(qiáng)度。這些 4f 電子增強(qiáng)了晶格的一種稱為磁各向異性的特性——實(shí)際上，它們促進(jìn)了原子的磁矩與晶格中特定方向的粘附。反過來，可以利用它來實(shí)現(xiàn)高矯頑力，讓永磁體保持磁化狀態(tài)的基本特性。此外，通過幾個(gè)復(fù)雜的物理機(jī)制，未配對(duì)的 4f 電子可以通過協(xié)調(diào)和穩(wěn)定晶格中 3d 電子的自旋排列來放大晶體的磁性。
自 1980 年代以來，基于釹、鐵和硼 (NdFeB)的化合物的永磁體主導(dǎo)了高性能應(yīng)用，包括電機(jī)、智能手機(jī)、揚(yáng)聲器和風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)。倫敦 Roskill Information Services 2019 年的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，汽車牽引電機(jī)中使用的永磁體中有90%以上是 NdFeB。
那么，如果特斯拉的下一款電機(jī)不是稀土永磁體，那會(huì)是哪種？在愿意推測的專家中，選擇是一致的：鐵氧體磁鐵。在迄今為止發(fā)明的非稀土永磁體中，只有兩種在大規(guī)模生產(chǎn)：鐵氧體和另一種稱為鋁鎳鈷（鋁鎳鈷）的永磁體。特斯拉不會(huì)使用 Alnico， IEEE Spectrum聯(lián)系的六位專家堅(jiān)稱。這些磁鐵很脆弱，更重要的是，全球鈷供應(yīng)量不足，它們僅占永磁體市場的不到 2% 。
基于一種氧化鐵的鐵氧體磁鐵價(jià)格便宜，按銷售額計(jì)算占永磁體市場的近 30%。但它們也很脆弱（一個(gè)主要用途是關(guān)上冰箱門）。永磁體的一個(gè)關(guān)鍵性能指標(biāo)是其最大能量積，以兆高斯-奧斯特 (MGOe) 為單位測量。它反映了磁體的強(qiáng)度及其矯頑力。對(duì)于汽車牽引電機(jī)常用的那種釹鐵硼，這個(gè)值一般在35MGOe左右。對(duì)于最好的鐵氧體磁鐵，它大約是 4。
特斯拉投資者日3 月 1 日的會(huì)議以關(guān)于能源和環(huán)境的漫無邊際、詳細(xì)的討論開始，然后轉(zhuǎn)變?yōu)橐幌盗谢旧峡梢灶A(yù)見的公告和吹噓。然后，莫名其妙地傳來了一個(gè)絕對(duì)的重磅炸彈：“我們?cè)O(shè)計(jì)了我們的下一個(gè)驅(qū)動(dòng)單元，它使用永磁電機(jī)，根本不使用任何稀土元素，”特斯拉電力總監(jiān)科林坎貝爾宣稱-培養(yǎng)工程。
這是一個(gè)驚人的發(fā)現(xiàn)，讓大多數(shù)永磁專家都感到警惕和困惑。特拉華大學(xué)的研究員Alexander Gabay直截了當(dāng)?shù)卣f：“我懷疑在不久的將來任何非稀土永磁體都可以用于同步牽引電機(jī)。” 在瑞典的烏普薩拉大學(xué)，物理學(xué)家Alena Vishina闡述道，“我不確定是否有可能只使用不含稀土的材料來制造強(qiáng)大而高效的電機(jī)。”
這里的問題是物理學(xué)，即使是特斯拉也無法改變。
在最近的一次磁學(xué)會(huì)議上，位于阿靈頓的德克薩斯大學(xué)教授Ping Liu詢問其他研究人員他們對(duì)特斯拉的聲明有何看法。“沒有人完全理解這一點(diǎn)，”他報(bào)告說。（特斯拉沒有回復(fù)要求詳細(xì)說明坎貝爾評(píng)論的電子郵件。）
特斯拉的技術(shù)實(shí)力不容小覷。但另一方面，這家公司——尤其是它的首席執(zhí)行官——有過偶爾做出聳人聽聞的聲明但沒有成功的歷史（例如，我們?nèi)栽诘却?5,000 美元的 Model 3 ）。
這里的問題是物理學(xué)，即使是特斯拉也無法改變。當(dāng)晶體中某些原子的電子自旋被迫指向同一方向時(shí)，某些晶體材料就會(huì)出現(xiàn)永磁現(xiàn)象。這些對(duì)齊的自旋越多，磁性越強(qiáng)。為此，理想的原子是那些未配對(duì)的電子在所謂的3d 軌道中圍繞原子核聚集的原子。頂部是鐵，有四個(gè)不成對(duì)的 3d 電子，頂部是鈷，有三個(gè)。
但僅憑 3d 電子還不足以制造超強(qiáng)磁鐵。正如研究人員幾十年前發(fā)現(xiàn)的那樣，通過在 4f 軌道上添加具有未成對(duì)電子的晶格原子，尤其是稀土元素釹、釤和鏑，可以大大提高磁強(qiáng)度。這些 4f 電子增強(qiáng)了晶格的一種稱為磁各向異性的特性——實(shí)際上，它們促進(jìn)了原子的磁矩與晶格中特定方向的粘附。反過來，可以利用它來實(shí)現(xiàn)高矯頑力，讓永磁體保持磁化狀態(tài)的基本特性。此外，通過幾個(gè)復(fù)雜的物理機(jī)制，未配對(duì)的 4f 電子可以通過協(xié)調(diào)和穩(wěn)定晶格中 3d 電子的自旋排列來放大晶體的磁性。
自 1980 年代以來，基于釹、鐵和硼 (NdFeB)的化合物的永磁體主導(dǎo)了高性能應(yīng)用，包括電機(jī)、智能手機(jī)、揚(yáng)聲器和風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)。倫敦 Roskill Information Services 2019 年的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，汽車牽引電機(jī)中使用的永磁體中有90%以上是 NdFeB。
那么，如果特斯拉的下一款電機(jī)不是稀土永磁體，那會(huì)是哪種？在愿意推測的專家中，選擇是一致的：鐵氧體磁鐵。在迄今為止發(fā)明的非稀土永磁體中，只有兩種在大規(guī)模生產(chǎn)：鐵氧體和另一種稱為鋁鎳鈷（鋁鎳鈷）的永磁體。特斯拉不會(huì)使用 Alnico， IEEE Spectrum聯(lián)系的六位專家堅(jiān)稱。這些磁鐵很脆弱，更重要的是，全球鈷供應(yīng)量不足，它們僅占永磁體市場的不到 2% 。
有超過 20 種永磁體不使用稀土元素，或者使用的稀土元素不多。但這些都沒有在實(shí)驗(yàn)室之外產(chǎn)生影響。
基于一種氧化鐵的鐵氧體磁鐵價(jià)格便宜，按銷售額計(jì)算占永磁體市場的近 30%。但它們也很脆弱（一個(gè)主要用途是關(guān)上冰箱門）。永磁體的一個(gè)關(guān)鍵性能指標(biāo)是其最大能量積，以兆高斯-奧斯特 (MGOe) 為單位測量。它反映了磁體的強(qiáng)度及其矯頑力。對(duì)于汽車牽引電機(jī)常用的那種釹鐵硼，這個(gè)值一般在35MGOe左右。對(duì)于最好的鐵氧體磁鐵，它大約是 4。
西班牙巴斯克材料、應(yīng)用和納米結(jié)構(gòu)中心的磁學(xué)研究員Daniel Salazar Jaramillo說：“即使你得到性能最好的鐵氧體磁鐵，你的性能也會(huì)比釹鐵硼低 5 到 10 倍。”。因此，與使用 NdFeB 磁體構(gòu)建的同步電機(jī)相比，基于鐵氧體磁體的同步電機(jī)將更大、更重、更弱，或者兩者兼而有之。
可以肯定的是，還有許多其他永磁體不使用稀土元素或使用的稀土元素不多。但這些都沒有在實(shí)驗(yàn)室之外產(chǎn)生影響。商業(yè)上成功的永磁體所需的屬性列表包括高磁場強(qiáng)度、高矯頑力、耐高溫、良好的機(jī)械強(qiáng)度、易于制造以及不依賴稀缺、有毒或由于其他原因而有問題的元素. 今天的所有候選人都未能勾選其中一個(gè)或多個(gè)方框。
氮化鐵磁體，來自初創(chuàng)公司 Niron Magnetics 的磁體，是新興的不使用稀土元素的永磁體中最有前途的磁體之一。
但一些研究人員說，再給它幾年時(shí)間，其中一兩個(gè)很可能會(huì)取得突破。其中最有前途的是：氮化鐵 Fe 16 N 2。明尼阿波利斯的一家初創(chuàng)公司Niron Magnetics現(xiàn)在正在將這項(xiàng)技術(shù)商業(yè)化，這項(xiàng)技術(shù)是2000 年代初期明尼蘇達(dá)大學(xué)的Jian Ping Wang在ARPA-E 的資助下開創(chuàng)的，此前他曾在 Hitachi 工作。Niron 的執(zhí)行副總裁 Andy Blackburn 告訴Spectrum，該公司打算在 2024 年晚些時(shí)候推出其首款產(chǎn)品。Blackburn 表示，這將是一種能量積高于 10 MGOe 的永磁體，他預(yù)計(jì)其將應(yīng)用于揚(yáng)聲器和傳感器等領(lǐng)域。如果成功，這將是自40年前的釹鐵硼以來第一個(gè)商業(yè)化的新型永磁體，也是自60年前最好的鐵氧體類型鍶鐵氧體以來第一個(gè)商業(yè)化的非稀土永磁體。
據(jù) Blackburn 稱，Niron 將在 2025 年推出能量積超過 30 MGOe 的磁鐵。為此，他做出了一個(gè)相當(dāng)大膽的預(yù)測：“它將具有與釹一樣好或更好的通量。它將具有鐵氧體的矯頑力，并且具有釤鈷的溫度系數(shù)”——優(yōu)于釹鐵硼。如果磁鐵真的能夠結(jié)合所有這些屬性（一個(gè)很大的假設(shè)），它將非常適合用于電動(dòng)汽車的牽引電機(jī)。
布萊克本宣稱，未來還會(huì)有更多。“所有這些新的納米級(jí)工程能力使我們能夠創(chuàng)造出 20 年前不可能制造的材料，”他說。
