劃重點

1由于存在供應鏈問題和環(huán)境問題，特斯拉動力總成部門正努力從電機中剔除稀土磁鐵，并在尋找替代方案。 2特斯拉尚未發(fā)明全新的磁體材料，因此其可能使用現(xiàn)有技術將就一下，最有可能的是使用便宜而容易制造的鐵氧體。 3通過仔細定位鐵氧體磁鐵和調(diào)整電機設計的其他方面，可以復制稀土驅動電機的許多性能指標。在這種情況下，電機的重量只增加了30%左右，相對于汽車的整體重量來說，這個差異可能很小。 4新磁體材料需要具備以下三個基本特征：1）需要具有磁性；2）在其他磁場存在的情況下繼續(xù)保持磁性；3）能承受高溫。

騰訊科技訊 5月4日消息，電動汽車制造商特斯拉表示，其汽車電機中將不再使用稀土元素，這意味著特斯拉的工程師將不得不充分發(fā)揮創(chuàng)造力尋找替代方案。

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上個月，在特斯拉投資者日活動上，埃隆·馬斯克發(fā)布了“總體規(guī)劃第三部分”。其中，有個小細節(jié)在物理領域引發(fā)轟動。特斯拉動力總成部門的高管科林·坎貝爾宣布，他的團隊正在從電機中剔除稀土磁鐵，理由是供應鏈問題和生產(chǎn)稀土磁鐵帶來的負面影響過大。

為了實現(xiàn)這一目標，坎貝爾展示了兩張涉及三種神秘材料的幻燈片，這些材料被巧妙地標記為稀土1、稀土2和稀土3。第一張幻燈片代表特斯拉的現(xiàn)狀，該公司在每輛車中使用的稀土數(shù)量從半公斤到10克不等。在第二張幻燈片上，所有稀土元素的使用數(shù)量都降為零。

對于研究某些材料由于電子運動而產(chǎn)生神奇力量的磁學家來說，稀土1的身份很容易辨別，那就是釹。當被添加到常見元素（如鐵和硼）中，這種金屬可以幫助創(chuàng)建一個強大的、始終開啟的磁場。但很少有材料具有這種品質，而產(chǎn)生足以移動重量超過2000公斤的特斯拉汽車，以及從工業(yè)機器人到戰(zhàn)斗機等許多其他東西的磁場的稀土元素就更少了。如果特斯拉計劃從電機中去除釹和其他稀土元素，它會用哪種磁鐵來代替呢?

對于物理學家們來說，有一件事可以肯定：特斯拉并沒有發(fā)明出一種全新的磁體材料。NIron Magnetics戰(zhàn)略執(zhí)行副總裁安迪·布萊克本說：“100多年來，我們可能只有幾次機會得到新的商業(yè)磁鐵?！盢Iron Magnetics是為數(shù)不多的幾家試圖抓住下一次機會的初創(chuàng)公司之一。

布萊克本和其他人認為，更有可能的是，特斯拉已經(jīng)決定可以用一塊功率小得多的磁鐵將就一下。在眾多可能性中，最明顯的候選者是鐵氧體：一種由鐵和氧組成的陶瓷，與少量的金屬(如鍶)混合起來。它既便宜又容易制造，自20世紀50年代以來，世界各地的冰箱門都利用這種方式制造。

但按體積計算，鐵氧體的磁性只有釹磁鐵的十分之一，這就提出了新的問題。特斯拉首席執(zhí)行官埃隆·馬斯克向來以不妥協(xié)著稱，但如果特斯拉要轉向鐵氧體，似乎必須做出某些讓步。

人們很容易認為電池是電動汽車的動力，但實際上是電磁驅動了電動汽車。特斯拉公司和磁性單位“特斯拉”都以同一個人的名字命名，這絕非巧合。當電子流過電機中的線圈時，它們會產(chǎn)生電磁場，推動相反的磁力，使電機的軸帶動車輪旋轉起來。

對于特斯拉汽車的后輪來說，這些力是由帶有永磁體的電機提供的，永磁體是一種具有穩(wěn)定磁場的奇怪材料，沒有任何電流輸入，這要歸功于電子在原子周圍的巧妙自旋。特斯拉大約在五年前才開始在汽車上添加這些磁鐵，以便在不升級電池的情況下延長續(xù)航里程并提高扭矩。在此之前，該公司使用的是圍繞電磁鐵制造的感應電機，電磁鐵通過消耗電力而產(chǎn)生磁性。那些配有前置電機的車型目前仍在使用這種模式。

特斯拉放棄稀土和磁鐵的舉動看起來似乎有點奇怪。汽車公司通常癡迷于效率，尤其是在電動汽車的情況下，他們?nèi)栽谂φf服司機克服續(xù)航里程里程的恐懼。但隨著汽車制造商開始擴大電動汽車的生產(chǎn)規(guī)模，許多以前被認為效率太低的工程正重新出現(xiàn)。

這促使汽車制造商（包括特斯拉在內(nèi)）生產(chǎn)更多使用磷酸鐵鋰(LFP)電池的汽車。與那些含有鈷和鎳等元素的電池相比，這些車型的續(xù)航里程往往更短。這是一種更老的技術，重量更大，儲電能力更低。目前由低速動力驅動的Model 3續(xù)航里程為272英里（約合438公里），而配備更高級電池的遠程Model S則可以達到400英里（640公里）。但采用磷酸鐵鋰電池可能是一個更明智的商業(yè)選擇，因為它避免了使用更昂貴甚至存在政治風險的材料。

不過，特斯拉不太可能只是簡單地用更糟糕的東西取代磁鐵，比如鐵氧體，而不做其他改變。烏普薩拉大學物理學家阿萊娜·維希娜說：“你將在汽車里攜帶一塊巨大的磁鐵?！毙疫\的是，電機是相當復雜的機器，有很多其他部件組成，理論上可以重新排列，以減輕使用較弱磁鐵的影響。

在計算機模型中，材料公司Proterial最近確定，通過仔細定位鐵氧體磁鐵和調(diào)整電機設計的其他方面，可以復制稀土驅動電機的許多性能指標。在這種情況下，電機的重量只增加了30%左右，相對于汽車的整體重量來說，這個差異可能很小。

盡管有這些令人頭疼的問題，但汽車公司還是有很多理由放棄稀土元素，當然前提是他們能做到的話。整個稀土市場的價值和美國雞蛋市場差不多，而且從理論上講，稀土元素可以在世界各地開采、加工并轉化為磁鐵，但事實上這些過程存在許多挑戰(zhàn)。

礦產(chǎn)分析師、頗受歡迎的稀土觀察博客作者托馬斯·克魯默說：“這是個價值100億美元的產(chǎn)業(yè)，但每年創(chuàng)造的產(chǎn)品價值在2萬億到3萬億美元之間，這是一個巨大的杠桿。汽車也是如此，即使它們只含有幾公斤這種物質，但把它們剔除出去，意味著汽車不再能行駛，除非你愿意重新設計整個發(fā)動機?！?/p>

美國和歐洲正試圖使這條供應鏈多樣化。21世紀初關閉的加州稀土礦最近重新開放，目前供應全球15%的稀土。在美國，政府機構（尤其是國防部）需要為飛機和衛(wèi)星等設備提供強大的磁鐵，它們熱衷于在國內(nèi)和日本、歐洲等地區(qū)投資供應鏈。但考慮到成本、所需的技術和環(huán)境問題，這是一個緩慢的過程，需要持續(xù)幾年甚至幾十年。

與此同時，在汽車和風力渦輪機等脫碳工具中嵌入磁鐵的需求也在上升。市場研究機構Adamas Intelligence的數(shù)據(jù)顯示，目前，12%的稀土用于電動汽車，這是一個剛剛起步的市場。與此同時，稀土價格經(jīng)常出現(xiàn)劇烈波動，而外部企業(yè)往往無法預測這些因素。

在德克薩斯大學奧斯汀分校研究磁性材料的物理學家吉姆·切利科夫斯基說，總而言之，如果你所處的行業(yè)可以找到替代產(chǎn)品，那可能具有非凡的意義。但他表示，尋找比鐵氧體更好的稀土磁鐵替代品有各種各樣的理由。挑戰(zhàn)在于找到具有三個基本特征的材料：1）需要具有磁性；2）在其他磁場存在的情況下繼續(xù)保持磁性；3）能承受高溫。熱磁鐵不再是磁鐵。

研究人員非常清楚哪些化學元素可以制造出好的磁鐵，但潛在的原子排列方式有數(shù)百萬種。有些所謂的磁鐵獵人采取的方法是從數(shù)十萬種可能的材料開始，剔除那些含有稀土等有缺陷的材料，然后使用機器學習來預測剩下的材料的磁性。去年年底，切利科夫斯基等人使用該系統(tǒng)制造一種含有鈷的新型高磁性材料。

通常最大的挑戰(zhàn)是找到易于制造的新磁鐵。烏普薩拉大學的維希娜解釋說，有些新開發(fā)的磁鐵，比如含有錳的磁鐵，很有前途，但卻不穩(wěn)定。在其他情況下，科學家們知道一種材料具有極強的磁性，卻無法批量制造。其中包括四方輝石，一種只從隕石中發(fā)現(xiàn)的鎳鐵化合物，它必須經(jīng)過數(shù)千年的緩慢冷卻才能精確地將其原子排列到正確的狀態(tài)。在實驗室中，試圖更快地推進這個過程的努力正在進行中，但尚未取得成果。

磁鐵初創(chuàng)公司Niron在這方面走得更遠一些。該公司表示，其生產(chǎn)的氮化鐵磁鐵理論上比釹更具磁性。但它也是一種易變的材料，很難以理想的形式制造和保存。布萊克本表示，該公司正在取得進展，但無法生產(chǎn)出足夠強大的磁鐵用于特斯拉的下一代汽車。他說，第一步是將這種新磁鐵放入音響系統(tǒng)等較小的設備中。

礦產(chǎn)分析師、頗受歡迎的稀土觀察博客作者托馬斯·克魯默說，目前還不清楚其他汽車制造商是否會效仿特斯拉放棄稀土的舉措。有些公司可能會堅持使用成熟的材料，而另一些公司則會使用感應電機或嘗試新的東西。即使是特斯拉，也可能會在未來的汽車上使用幾克稀土，散布在自動車窗、動力轉向和擋風玻璃刮水器等地方。

在特斯拉的投資者日活動上，對比稀土含量的幻燈片實際上是將一整輛當前一代汽車與未來電機進行了比較，這可能是一種宣傳噱頭。像特斯拉這樣的變通辦法正在開發(fā)中，替換電機中的稀土材料可能是件好事，但正如克魯默所說：“恐怕我們沒有足夠的時間。”（金鹿）