新能源汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，電機(jī)是產(chǎn)生主要驅(qū)動(dòng)力的核心部件。作為現(xiàn)今的主流驅(qū)動(dòng)電機(jī)之一的永磁同步電機(jī)最重要、最獨(dú)特的組成部分就是轉(zhuǎn)子上的永磁鐵。而近些年的價(jià)格大幅波動(dòng)以及中國(guó)擁有世界上絕大部分儲(chǔ)存量的事實(shí)，又將作為制造永磁鐵最重要的材料來源的稀土，變成了炙手可熱的話題。本系列短文將向大家介紹一下對(duì)新能源汽車行業(yè)來說最重要的稀土元素及他們的應(yīng)用。

一、 稀土金屬元素

稀土元素是17種特殊的元素的統(tǒng)稱，它的得名是因?yàn)槿鸬淇茖W(xué)家在提取稀土元素時(shí)應(yīng)用了稀土化合物，所以得名稀土元素。稀土元素是周期系ⅢB族中原子序數(shù)為21、39和57～71的17種化學(xué)元素的統(tǒng)稱，其中原子序數(shù)為57～71的15種化學(xué)元素又統(tǒng)稱為鑭系元素。

如圖 1 的元素周期表所示，稀土元素共有17個(gè)，分別是鈧(Scandium, Sc)、釔(Yttrium, Y)、鑭(Lanthanum, La)、鈰(Cerium, Ce)、鐠(Praseodymium, Pr)、釹(Neodymium, Nd)、钷(Promethium, Pm)、釤(Samarium, Sm)、銪(Europium, Eu)、釓(Gadolinium, Gd)、鋱(Terbium, Tb)、鏑(Dysprosium, Dy)、鈥(Holmium, Ho)、鉺(Erbium, Er)、銩(Thulium, Tm)、鐿(Ytterbium, Yb) 以及镥(Lutetium, Lu)。

稀土元素常被分為輕稀土元素 (LREE = light rare earths elements) 和重稀土元素 (HREE = heavy rare earths elements)。輕稀土元素包括鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、钷(Pm)、釤(Sm)、銪(Eu)七個(gè)元素，亦稱鈰族稀土元素。重稀土元素包括釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)、镥(Lu)以及釔(Y)和鈧(Sc)十個(gè)元素，亦稱釔族稀土元素。

盡管釔的原子量?jī)H為89，但由于其離子半徑在其它重稀土元素的離子半徑鏈環(huán)之中，其化學(xué)性質(zhì)更接近重稀土元素。在自然界也與其它重稀土元素共生。故它被歸為重稀土組。

圖 1: 稀土元素在元素周期表中的位置 (Schüler et al. 2011)

二、稀土金屬元素的應(yīng)用

自18世紀(jì)初發(fā)現(xiàn)第一個(gè)稀土元素以來，稀土行業(yè)已有兩個(gè)多世紀(jì)的歷史，其應(yīng)用變得日趨廣泛?，F(xiàn)今，稀土在冶金、陶瓷、化工、電子、醫(yī)療、超導(dǎo)等領(lǐng)域發(fā)揮著巨大作用。圖 2 為2018年稀土元素在其主要應(yīng)用領(lǐng)域的投入分布占比。

圖 2: 2018年全球稀土元素的應(yīng)用情況分布 （grandviewresearch.com）

從圖 2可以看出，永磁鐵是稀土元素的一個(gè)主要應(yīng)用場(chǎng)景。而17種稀土元素中，用于制造永磁鐵的元素包括釤、釹、鐠、鋱和鏑元素。

圖 4 展示了各種類型的永磁鐵在上個(gè)世紀(jì)的能量密度的發(fā)展趨勢(shì)。此處的能量密度指的是最大磁能積<BH>max，這是一個(gè)用來衡量磁鐵儲(chǔ)存能量的能力的參數(shù)，是圖 3 上的磁滯曲線上B與H的最大的乘積。單位既可以用兆高·奧（MGOe），也可以用J/m3。1MGOe等于105/(4π) J/m3，即近似等于8 kJ/m3。

圖 3: 磁鐵的磁滯曲線 (electricalacademia.com)

圖 4: 不同種類的永磁體的能量密度的發(fā)展情況 (Gutfleisch et al. 2011)

從圖 4 右上角的圖可以看出，稀土磁鐵的歷史從20世紀(jì)60年代中期開始，以釤鈷磁鐵的發(fā)明為開端。相對(duì)于傳統(tǒng)的鐵氧體磁鐵和鋁鎳鈷磁鐵，釤鈷磁鐵的能量密度得到了大幅提升。永磁鐵能量密度的第二次飛躍式提升則是在20世紀(jì)80年代的釹鐵硼磁鐵的發(fā)明下實(shí)現(xiàn)的。

圖 4 的左下方的內(nèi)容則展示了各種永磁鐵達(dá)到同一能量密度所需的體積的對(duì)比?？梢钥闯?，要達(dá)到相同的能量密度，釹鐵硼磁鐵需要的材料比其他類型的永磁鐵少得多。也因此，從圖 5 展示的2019年全球市場(chǎng)現(xiàn)有的不同種類的永磁鐵的占比分布中可以看出，現(xiàn)在超過一半的永磁鐵都是由釹鐵硼材料制造的。

圖 5: 不同種類的永磁鐵的市場(chǎng)占比 （grandviewresearch.com）

三、稀土磁鐵的分類

圖 6 展示了稀土永磁鐵的大致的分類，主要分為釤鈷磁鐵和釹鐵硼磁鐵兩種。其中釹鐵硼磁鐵根據(jù)生產(chǎn)工藝不同又可以分為燒結(jié)釹鐵硼和粘結(jié)釹鐵硼。

稀土金屬永磁體分類（德國(guó) Oeko-Institut ）

兩種主要稀土金屬的比較：

1. 釤鈷磁鐵（ Samarium-Cobalt magnet/SmCo magnet）

• 優(yōu)點(diǎn)：相對(duì)于釹鐵硼磁鐵（NdFeB magnet）更耐高溫（200-350 °C）、更耐腐蝕

• 缺點(diǎn)：釤鈷合金非常脆且易斷裂

所以相對(duì)于釹鐵硼磁鐵來說，釤鈷磁鐵主要應(yīng)用一些小眾產(chǎn)品上，且市場(chǎng)份額較小。

2. 釹鐵硼磁鐵（neodymium iron boron magnet/NdFeB magnet）

• 主要基于Nd2Fe14B合金，其中稀土金屬含量大概占27%。

• 除了釹（neodymium，Nd）元素，鐠（praseodymium，Pr）、鏑（Dysprosium，Dy）等稀土元素及其他元素如鈷（Cobalt, Co）元素也會(huì)被添加到合金中。

• 在許多應(yīng)用中， 稀土金屬的平均含量為31% (Buchert et al. 2012)。

• 鐠元素主要用于替代昂貴的釹元素，根據(jù)Hatch（2011），釹和鐠的混合比例直到3:1的時(shí)候還可以沒有質(zhì)量損失。

• 摻雜鏑元素主要用于提高高溫時(shí)的矯頑場(chǎng)強(qiáng)。摻雜比例到10% (Hoenderdaal et al. 2013) 的時(shí)候，工作溫度可以提高到80°C - 200°C，此時(shí)釹鐵硼磁鐵的磁性依然可以保持穩(wěn)定。

• 因此磁鐵的組成成分可以根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域而變化：

• 在較低溫度范圍（比如用于麥克風(fēng)）中工作的釹鐵硼金屬通常釹和鐠元素的含量為31%，而在相對(duì)較高溫度區(qū)間（比如用于電機(jī)中）中工作的磁鐵釹和鐠元素通常會(huì)有一部分被鏑元素代替。

• 釹鐵硼磁鐵的能量密度可以達(dá)到400KJ/m3，也因此該磁鐵是現(xiàn)今最強(qiáng)的永磁體。

下表總結(jié)了兩種稀土磁鐵的各種參數(shù)對(duì)比。由于釹鐵硼磁鐵較高的能量密度，它也是新能源汽車行業(yè)永磁同步電機(jī)的主要磁鐵。

表格1：釹鐵硼磁鐵與釤鈷磁鐵的對(duì)比

參考文獻(xiàn)： Untersuchung zu Seltenen Erden: Permanentmagnete im industriellen Einsatz in Baden-Württemberg - ?ko-Institut e. V., Freiburg