題記：儘管有技術優勢，但社會、政治和環境障礙使稀土金屬變得不受歡迎。
2022 BMW iX EV
隨著汽車製造商為所有細分市場以及越來越多的預算推出各種車型，汽車市場終於轉向了期待已久的電力驅動。這將見證為這些電動汽車提供動力的電動機生產相應的繁榮，這是一個挑戰。
大多數電動汽車在其電機中使用永磁體，因為與使用電磁體的電機相比，從此類電機中獲取令人滿意的功率和效率更容易。問題在於，這些永磁體的強度是透過使用稀土金屬得到加強的，就像 1980 年代第一款緊湊型耳機首次在其揚聲器驅動器中使用這種材料時一樣。
在永磁體電機中主要關注的元素是釹和鏑。不同的是，汽車電機中的磁鐵比耳機揚聲器中的磁鐵需要更多的這種材料。根據美國地質調查局的資料，每臺電動機平均含有 200 克釹和 30 克鏑。
據國際能源署稱，預計電動汽車產量的增加將使電動汽車的鏑需求量從 2017 年的 180 至 360 噸增加到 2030 年的 6,000 至 13,000 噸。與此同時，IEA 預測釹將從 582噸2017 年增加到了1,162噸，到 2030 年將增加到20,000 到 40,000 噸。
這就是我們遇到這種增長會給汽車製造商帶來的問題的地方。為提取稀土而開採的礦石通常也含有放射性元素。根據 IDTechEx Research 的資料，從礦石中分離所需稀土的過程使用了大量致癌物質，如硫酸鹽、氨和鹽酸，因此處理一噸稀土材料會產生 2,000 噸有毒廢物。
因此，大幅增加稀土金屬開採存在環境障礙。此外，外媒稱地緣政治風險可能會使這些材料變得遙不可及，或者使它們變得非常昂貴，目前我國控制著世界90%的稀土供應。 IDTechEx Research 報道稱，2011 年在與日本的外交爭端中促使我國限制稀土出口時，釹和鏑的價格分別上漲了約 750% 和 2,000%。
據豐田稱，新增鏑（以及在較小程度上，鋱）是為了提高磁鐵在高溫下保持磁化的能力（這稱為“矯頑力（coercivity）”）。該公司於 2018 年宣佈，已開發出世界上第一個零鏑或鋱的低釹、耐熱磁體。該設計將釹的使用量減少了 50%，其中一部分釹被低成本的稀土鑭和鈰所取代。
豐田試圖透過將磁體晶粒的尺寸減小來降低對稀土金屬的需求
豐田發現，透過將磁體晶粒的尺寸減小到傳統釹磁體中所發現的尺寸的十分之一或更少，並擴大晶界區域，可以在高溫下保持高矯頑力。
簡單地用釹和鈰交換釹會導致運動效能下降。豐田工程師開發了抑制矯頑力和耐熱性惡化的技術，即使用鑭和鈰代替釹，並開發出一種具有與早期釹磁鐵相當的耐熱性水平的磁鐵。
減少稀土是通用汽車對其 Ultium 系列電動機採用的方法，這些電動機將用於從悍馬 SUV 開始的新電動汽車中。該公司負責電氣化戰略和電池工程的總經理 Tim Grewe 表示，這使公司能夠堅持使用永磁電機，同時減少對有問題的稀土材料的依賴。
通用汽車的 62 千瓦感應電機
通用汽車的 62 千瓦感應電機是 Ultium 系列的入門級產品，將用於全輪驅動應用。
“這是一個如何看待多變數問題並以不同的方式解決它的問題，”格魯解釋道。 “如果您檢視釹和鋰酸鹽、鏑、鋱等新增劑，我們會在您需要的地方使用最少的量。我們把它放在我們需要的地方，以獲得最大的效果。”他說，由於對稀土採礦對勞動者和環境影響的擔憂，通用汽車在獲取這些材料的地方很謹慎。 “我們擁有經過稽核的安全、可持續、合乎道德的材料，”格魯說。
研究員試圖從煤灰中提取稀土元素
桑迪亞國家實驗室正在開發一種以合乎道德的方式採購的稀土的未來選擇，研究員徐廣平正在那裡尋求從煤灰中提取這些元素，煤灰是燃煤電廠的有毒殘留物。
徐的分離方法使用二氧化碳、水和檸檬酸，而不是礦工使用的刺激性化學品。 “這項技術不僅可以在短時間內以對環境無害的方式提取稀土金屬，而且實際上可以透過減少散佈在美國的煤炭廢物的毒性來改善環境，”徐說。
這種處理具有對煤灰解毒的額外效果，將其從有害廢物轉化為可用作混凝土填料或農業表土的產品。 “理論上，一家美國公司可以利用這種技術開採煤炭和煤炭副產品以獲取稀土金屬，並與中國礦業競爭，”徐說。此外，出於美國國家安全的目的，“擁有稀土金屬的替代來源以避免受外國供應的支配可能是合理的。”
或者，汽車製造商可以從永磁電機轉向使用電磁鐵的電機。特斯拉在其部分電機中使用了感應電磁鐵，大眾、賓利和寶馬都已承諾透過這條途徑完全消除對稀土的使用。雖然通用汽車等公司指出永磁體的扭矩和效率優勢，但 Drive System Design 的電動汽車研究人員表示，感應磁鐵沒有理由不能取代它們。
該公司在一份報告中表示：“我們的研究向我們證明，感應電機在某些應用中可能與它們的（永磁體）等效物一樣具有經濟可行性，同時避免受到稀土材料成本波動的影響。” “透過根據客戶使用情況最佳化計算最佳負載分配策略，PM 和感應拓撲的組合也有可能在同一輛車內（例如在 4 輪驅動應用中）產生巨大影響。”這是通用汽車和特斯拉在全輪驅動車型中混合兩種電機時使用的策略。
寶馬新款 iX 電動跨界 SUV 動力系統負責人 Gerhard Baumgartner 解釋說，電機電場的精確管理使感應電機與永磁電機一樣高效和強大。 “這更復雜，”他承認。 “透過控制電場來做到這一點並不容易。”然而，結果是電機效率為 93%，鮑姆加特納說。
BMW iX EV 的整合電動機元件
在我們對 iX 和 i4 的駕駛體驗中，它們都採用了這些新的無稀土電機，我們發現這些汽車表現出出色的扭矩響應和加速度，因此使用這種設計似乎沒有效能損失。而且這兩款車都有 300 英里的續航里程，因此效率也與最新的永磁車型相當。
所有車型的所有制造商真正大規模生產電動汽車將需要解決稀土問題，因此看到工程師設計多種解決方案來克服這一障礙是令人鼓舞的。
（參考來源：EVdesign）
