吸铁石吸出的黑色粉末，黑色有磁性的铁

这家汽车制造商发誓要放弃稀土元素 – 但专家对此表示怀疑

特斯拉在3月1日的投资者日以关于能源和环境的漫无边际的详细讨论开始，然后过渡到一系列几乎可以预测的公告和吹嘘。然后，突然出现了一个绝对的重磅炸弹：“我们设计的下一个驱动单元使用永磁电机，根本不使用任何稀土元素，”特斯拉动力总成工程总监科林坎贝尔说。

这是一个惊人的披露，让大多数永磁学专家保持警惕和困惑。特拉华大学研究员亚历山大·加贝（Alexander Gabay）直截了当地表示：“我怀疑在不久的将来，任何非稀土永磁体都可以用于同步牵引电机。在瑞典乌普萨拉大学，物理学家阿莱娜·维希纳（Alena Vishina）解释说：“我不确定是否可能只使用不含稀土的材料来制造强大而高效的电机。

这里的问题是物理学，即使是特斯拉也无法改变。

在最近的一次磁性会议上，德克萨斯大学阿灵顿分校教授刘平问其他研究人员他们对特斯拉的声明有何看法。“没有人完全理解这一点，”他报告说。（特斯拉没有回复一封要求详细说明坎贝尔评论的电子邮件。

特斯拉的技术实力永远不应被低估。但另一方面，该公司——尤其是其首席执行官——有过零星的耸人听闻的说法的历史，但这些声明并没有成功（例如，我们仍在等待35，000美元的Model 3）。

这里的问题是物理学，即使是特斯拉也无法改变。当晶体中某些原子的电子自旋被迫指向同一方向时，某些晶体材料中会发生永磁。这些排列的自旋越多，磁性就越强。为此，理想的原子是那些在所谓的3d轨道上具有不成对电子在原子核周围聚集的原子。顶部是铁，有四个不成对的3d电子，钴有三个。

但仅靠3D电子不足以制造超强磁铁。正如研究人员几十年前发现的那样，通过在4f轨道上添加具有不成对电子的晶格原子，特别是稀土元素钕，钐和镝，可以大大提高磁强度。这些4f电子增强了晶格的一种特性，称为磁各向异性——实际上，它们促进了原子的磁矩对晶格中特定方向的粘附。反过来，可以利用这一点来实现高矫顽力，这是让永磁体保持磁化的基本特性。此外，通过几种复杂的物理机制，未成对的4f电子可以通过协调和稳定晶格中3d电子的自旋排列来放大晶体的磁性。

自 1980 年代以来，基于钕、铁和硼（NdFeB）化合物的永磁体主导了高性能应用，包括电机、智能手机、扬声器和风力涡轮机发电机。Roskill Information Services在伦敦进行的一项2019年研究发现，汽车牵引电机中使用的永磁体中有90%以上是钕铁硼。

那么，如果特斯拉的下一个电机不是稀土永磁体，那么什么样的呢？在愿意推测的专家中，选择是一致的：铁氧体磁铁。在迄今为止发明的非稀土永磁体中，只有两种是大规模生产的：铁氧体和另一种称为铝镍钴（铝镍钴）的类型。特斯拉不会使用Alnico，IEEESpectrum联系的六位专家坚持认为。这些磁铁很弱，更重要的是，世界钴的供应量如此之大，以至于它们占永磁体市场的不到2%。

有不止几十种永磁体不使用稀土元素，或者不使用太多稀土元素。但这些都没有在实验室外产生影响。

基于氧化铁形式的铁氧体磁铁价格便宜，占永磁体市场销售额的近30%。但它们也很弱（一个主要用途是关闭冰箱门）。永磁体的一个关键性能指标是其最大能量积，以兆高斯奥斯特（MGOe）为单位。它既反映了磁铁的强度，也反映了它的矫顽力。对于汽车牵引电机中常用的钕铁硼类型，该值通常在35MGOe左右。对于最好的铁氧体磁铁，它大约是 4。

“即使你得到性能最好的铁氧体磁铁，你的性能也会比钕 – 铁 – 硼低约5到10倍，”西班牙巴斯克材料，应用和纳米结构中心的磁性研究员Daniel Salazar Jaramillo说。因此，与使用钕铁硼磁体制造的同步电机相比，基于铁氧体磁体的同步电机将更大更重，更弱，或者两者兼而有之。

可以肯定的是，还有不止几十种其他永磁体不使用稀土元素或不使用太多稀土元素。但这些都没有在实验室外产生影响。商业上成功的永磁体所需的属性列表包括高场强、高矫顽力、耐高温、良好的机械强度、易于制造以及不依赖稀缺、有毒或因其他原因而有问题的元素。今天，所有候选人都未能勾选其中一个或多个方框。

但一些研究人员说，再给它几年时间，其中一两个很可能会突破。其中最有前途的：氮化铁，铁16N2.明尼阿波利斯的一家初创公司Niron Magnetics现在正在将技术商业化，该技术是明尼苏达大学由Jian Ping Wang在2000年代初由明尼苏达大学的ARPA-E资助开创的，此前曾在日立工作。Niron的执行副总裁安迪·布莱克本（Andy Blackburn）告诉Spectrum，该公司打算在2024年底推出其第一款产品。布莱克本说，它将是一种永磁体，其能量产品超过10 MGOe，他预计这将应用于扬声器和传感器等。如果成功，它将成为自40年前钕铁硼以来的第一个新的商用永磁体，以及自60年前最好的铁氧体类型锶铁氧体以来的第一个商用非稀土永磁体。

根据布莱克本的说法，Niron的首次产品将在2025年推出能量产品超过30 MGOe的磁铁。为此，他做出了一个相当大胆的预测：“它的通量将与钕一样好或更好。它将具有铁氧体的矫顽力，并且具有钐钴的温度系数“——比钕铁硼更好。如果磁铁真的设法结合了所有这些属性（一个很大的如果），它将非常适合用于电动汽车的牵引电机。

还会有更多，布莱克本宣称。“所有这些新的纳米级工程能力使我们能够创造出20年前不可能制造的材料，”他说。

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