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缓解稀土供应疑虑,美科学家找到全新永久磁铁配方

2024-11-26 231

钕、镝是制造风力发电、电动车、军用设备的重要稀土原料,一支风机基本上就需要 2,000 磅的钕、共 1 吨以上的稀土,电动车对稀土的需求更比传统车型多 25 倍,因此随着上述技术蓬勃发展,稀土供应也不断受到各界重视,而最近美国科学家已找到全新解决方案,有望降低稀土的使用量。

谈到稀土,就得说一下稀土为何物。虽然它被叫成 rare earth,但其实稀土不是土而是金属,且稀土种类多含量也不少,是铈、钪、钇和镧(有边读边即可)等共 17 种化学元素的合称,会被称为稀土只是因为稀土金属在土壤中以及跟其他物质混合在一起,过去比较难提炼。

稀土金属用途广泛,最重要的用途便是制造高磁性永久磁石,为永磁马达跟发动机的主要材料,永久磁铁会在线圈内旋转进而发电、将机械能转换成电能,而钕铁硼磁铁(NdFeB)便是市场上最常用的稀土磁铁和最强大的永磁铁。

稀土议题近年频频受到关注则是因为主要生产国开始调降开采量,目前稀土开采与冶炼主要依赖中国,该国供应全球近八成需求,像是大部分的钕都来是该国,但中国 2018 年下旬将开采、提炼配额调降 36%,使其他国家开始寻找新的替代方案。

最近美国能源部埃姆斯国家实验室则相当看好两种铈钴化合物,其分别为 CeCo跟 CeCo5,并表示铈是种含量非常丰富且较容易提炼的稀土金属,铈钴将有机会降低钕跟镝的用量,甚至有望取而代之。

团队指出,CeCo3 75% 为钴,虽然是顺磁体(paramagnet)不是永久磁体,但是能添入合金转变成铁磁体(ferromagnet),研究便发现,若在 CeCo3 中加入镁金属,它们就可以转换成永久磁铁,有助于缓解钕跟镝的供应挑战。

团队进一步介绍,CeCo5 则是一种强大的铁磁体,目前团队也整合理论与实际实验,将铁与铜的含量降至最低、提高磁性,未来则希望 CeCo5 有朝一日能代替含有钕和镝的磁石,假如能将需求量高的稀土磁铁取而代之,对环境跟经济都大有裨益。

埃姆斯国家实验室科学家 Thomas Lograsso 表示,虽然这两种铈钴化合物的性能尚不如稀土磁铁,现在仍无法取代钕铁硼磁铁,但已经可代替一些较低阶的磁铁,未来团队则会持续最佳化低阶磁铁跟非磁石的性能,希望能逐渐减少稀土的含量。

不过目前埃姆斯国家实验室团队尚未公布新技术的成本,毕竟 CeCo3 跟 CeCo5 皆含有大量的钴金属,而众所周知,钴同时也是锂离子电池的重要材料,扩大铈钴在风机、电动车的应用或许也会影响锂离子电池的市场。

  • Scientists Propose Alternatives To Rare Earth Elements Critical For Wind Turbines
  • New alternatives may ease demand for scarce rare-earth permanent magnets
  • Magnesium reinstalls magnetism in cerium cobalt

(首图为示意图,来源:Flickr/Thomas Kohler CC BY 2.0)

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2019-04-11 18:31:00

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