330期
2023 年 04 月 12 日
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減少關鍵原料的依賴:稀土的減量與替代
芮嘉瑋╱財團法人中技社 科技暨工程研究中心組長

隨著電動車普及率增加,佔比也隨之攀高,預估2030年全球電動車銷售量上看3,000萬台。電動車指標車廠特斯拉(Tesla Inc.)已嗅覺原物料供應鏈至關重要、是競爭優勢的來源,為此已開始佈局往上游移動、跨入原物料領域,其他汽車業者預料也會跟進。電動車對稀土的需求比傳統車型多25倍,例如豐田汽車製造一台電動車Prius就需要25公斤的稀土,而普通的內燃引擎汽車僅需一公斤左右。在電動車電池等高科技產品的需求年年增加之際,稀土需求飆升,製造商不得不受限於稀土的供應源。然而,2018下半年,中國調降36%之稀土開採、提煉配額,此舉給世界各地的製造商造成恐慌,驅使各國開始尋找新的替代方案,加速開發稀土減量替代的先進技術。


圖片來源 : shutterstock、達志影像

稀土減量技術

基於環保意識、稀土資源有限性及其使用成本的大幅度提高,開發少稀土甚至無稀土類高性能永磁材料愈來愈成為世界各國磁性材料研究的重要方向之一。在重稀土元素減量使用技術上可採用低階稀土或使用較便宜的稀土替代。一般來說,輕稀土元素如鐠(Pr)、釹(Nd)等元素的價格是重稀土元素的十分之一甚至幾十分之一。近年的研究表明,透過晶界擴散不但能引入鏑(Dy)、鋱(Tb)等重稀土元素提高主相晶粒表面的各向異性場,也可以引入鐠(Pr)、釹(Nd)等輕稀土元素甚至鋁(Al)、銅(Cu)等非稀土元素進行晶界相調控,例如中國專利CN113808839A,以提高矯頑力。但目前,這些不含重稀土的擴散劑對矯頑力的提升效果仍然不如重稀土擴散劑,有待業者持續研究開發適合工業上一般使用之不含重稀土的擴散劑,例如合理利用輕稀土或非稀土擴散劑,以製備出高矯頑力高磁能積的商用釹鐵硼磁體,是目前業內急需解決的問題之一。

近年美國能源部埃姆斯國家實驗室(Ames National Laboratory)開發出一種新材料可能會減少或替代永磁體中之稀土元素[1]。研究團隊表示,由於鈰是一種含量非常豐富且容易提煉的稀土金屬,為此開發一種無重稀土元素(Heavy Rare Earth Element-Free, HREE-Free)的鈰鈷化合物,分別為CeCo3和 CeCo5,有機會降低釹(Nd)、鏑(Dy)的用量。以CeCo3為例,添入合金可從順磁體(paramagnet)轉變為鐵磁體(ferromagnet),再加入鎂金屬即可轉變成永久磁鐵,有助緩解釹(Nd)、鏑(Dy)等稀土供應的挑戰;但其性能尚不如稀土磁鐵,現在仍無法取代釹鐵硼強力永久磁鐵,不過已經可替代一些較低階的磁鐵,逐漸減少稀土的含量。

稀土替代技術

用於電動汽車驅動用的馬達,常因啟動、超車等加速性能而要求馬達能夠提供暫態的峰值轉矩,此時電動汽車用之永久磁鐵式旋轉電機,為了產生該峰值轉矩而將轉子的永久磁鐵採用磁能積較大的稀土類磁鐵,該稀土類磁鐵常常為了耐受高溫環境而添加了重稀土元素鏑(Dy)。鏑(Dy)雖具有高的矯頑磁場強度而有助於穩定永磁體,但鏑資源枯竭的風險高,為了回避此風險而有必要考慮易於獲取的無稀土永久磁鐵材料,使得新型無稀土永磁的研究與開發成為磁性材料領域的研究熱點,生產不使用稀土之永磁同步馬達的需求也日益增加,包括豐田汽車(Toyota Motor Corp)、日產汽車(Nissan Motor Co)、BMW和福斯汽車(Volkswagen AG)等汽車大廠都正在探索基於環保和可用材料的無稀土永磁體技術。

無稀土永磁體依其永磁材料成分組成可分為鐵氧體(Ferrite)、MnBi基永磁體、MnAl基永磁體、MnGa基永磁體四個分類。

以鐵氧體(Ferrite)為例,日本電裝(Denso Corp.)於2013年申請美國專利US9006949B2(主張最早優先權日2012年2月13日,申請號:特願2012-027910),涉及用於混合電動車且具有雙定子結構的雙定子同步馬達,該雙定子同步馬達因使用鐵氧體磁體代替稀土磁體,有效地提供一種能夠在不使用任何稀土磁體或使用少量稀土磁體的情況下仍然能夠產生高輸出扭矩的雙定子同步馬達[2]。又,2014年發表一篇期刊,涉及一種用於電動車應用之新型多氣隙槽形線圈馬達(multi air gap motor with trench-shaped coil)。與傳統的單氣隙馬達相比,新型多氣隙槽形線圈馬達在不含稀土磁體的情況下仍具有高扭矩,因為它具有多個氣隙和鐵氧體永磁體輔助分段轉子磁極[3]。從該專利及期刊可看出日本電裝(Denso Corp.)正在研究發展一種兼及無稀土磁體的低成本和高扭矩馬達的可能性。

以MnBi基永磁體為例,豐田汽車旗下北美事業公司(Toyota Motor Engineering & Manufacturing, North America, Inc.,簡稱TEMA)申請美國專利US10410773B2,該專利涉及錳鉍(MnBi)奈米粒子的合成和退火,具體而言,係關於一種用以製備具有5至200nm粒徑的MnBi奈米粒子的濕化學方法,當在0 到3 T的場中以550到600K退火時,該奈米粒子表現出大約1 T的矯頑力,且適合用作永磁材料[4]。圖1左側顯示鐵磁性MnBi存在於MnBi相圖的所謂「低溫相」區域中,在它的上方存在所謂「高溫相」,且該高溫相顯示出反鐵磁性行為。圖1右側顯示當將該濕式合成MnBi奈米粒子加熱至800K的溫度時,誘發從鐵磁性低溫相至反鐵磁性高溫相的變化。

圖1 .MnBi相圖及加热形成高温相的MnBi奈米粒子相變化

圖片來源:USPTO

以MnAl基永磁體為例,中國同濟大學申請一種非稀土MnAl永磁合金的製備方法專利[5],是將熔融金屬澆注到模具中得到合金錠,然後將合金錠送入真空加熱爐,得到淬火合金錠。該MnAl永磁合金係以Mn60-xAl40+x化學式表示其組成,其中X=0~10。另,杭州電子科技大學申請一種包括錳、鋁、銅和碳的無稀土永磁合金[6],該MnAlCuC永磁合金,分子式為Mn50+zAl50-x-zCuxCy,其中x=1~4,y=1~3,z=0~2。

MnGa合金的專利相對較少,但有發現MnGa合金磁硬化方面的研究,包括中國專利CN107622852A涉及一種在不改變四方MnxGa合金物相和晶粒尺寸的基礎上,透過在MnxGa合金粉末中引入微觀應變而直接獲得高矯頑力的方法,以及中國專利CN106816253B係涉及透過合金塑性變形得到緻密的磁硬化Mn-Ga合金磁體的方法。

整體而言,使用無稀土方案來降低永磁電機的成本,同時又能保持電機效率不減為技術上的目標。就無稀土永磁技術的專利權人中發現,Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc.的專利技術表現最為亮眼,其次為Ford Global Technologies, LLC,展現其對無稀土永磁電機技術投入豐富的資源及技術研發能力,也嗅覺出日、美汽車大廠企圖擺脫對中國稀土依賴的決心[7]

力甩永磁 一勞永逸

目前電動車使用磁鐵的馬達,內部都有旋轉的接觸裝置,將電力傳輸到轉子的銅線圈。德國汽車零組件公司馬勒(Mahle)日前發表新的馬達,它是一種無磁電動馬達,因為沒有磁鐵,因此完全不需要使用稀土金屬,讓電動車供應鏈更符合環境永續[8]。Mahle不使用磁鐵,而是在馬達轉子中使用供電線圈,利用電感技術將動力傳遞給旋轉中的轉子,因此無磁馬達不需要接觸裝置,消除了應力點,避免機械磨損,讓馬達效率更高、更耐用,成本更低且更環保[9]

觀點:開發不含稀土的馬達就能減少關鍵原料的依賴

全球關鍵礦物供應鏈握在中國手上成為隱憂,新冠肺炎及晶片缺貨雪上加霜帶來供應鏈危機,國際間俄烏大戰再度重創供應鏈,促使各大車廠開始思考供應鏈布局,而使用不含稀土的馬達就能減少關鍵原料的依賴。為了提供環保與供應鏈問題的新解方,驅使原本嚴重依賴中國稀土的汽車大廠開始在無稀土永磁電機技術方面有了新的突破。稀土資源豐富的中國,還能有多久的優勢,國際間這場稀土戰爭誰輸誰贏有待時間上的觀察與驗證。

 

備註:

 

【本文僅反映專家作者意見,不代表本報及其任職單位之立場。】

 
作者: 芮嘉瑋
現任: 中技社科技暨工程研究中心組長
學歷: 國立清華大學 奈米工程與微系統研究所 博士
中原大學 財經法律研究所 碩士
國立台灣科技大學 材料科學與工程研究所 碩士
經歷: 工研院技術移轉與法律中心執行長室
工研院電子與光電研究所專利副主委
光電產業智權經理
專長: 長期從事產業研究、專利智財與投資評估等工作,專注於能源、產業、環境、經濟等議題。擅長創新技術策略分析、科技預測及評估、專利分析與布局、產業分析、智慧財產權管理與經營策略、專利的商業化與貨幣化。熟捻產業技術發展趨勢,並常在各媒體平台發表文章、應邀演講,成功引領技術前瞻與產業關鍵議題。

 

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