자석은 대부분의 사람들의 마음 속에 별 것 아닐 수도 있지만, 전기 자동차용 모터와 풍력 터빈 발전기의 핵심인 급성장하는 "녹색 경제"에 필수적입니다. 특히 합금으로 만든 강력한 영구 자석에 대한 수요가 증가하고 있습니다. "희토류" 원소. 그러나 희토류의 지속적인 공급에 대한 불확실성으로 인해 성능은 동일하지만 완전히 다른 원소로 만들어진 대체 자석에 대한 연구가 진행되고 있습니다.

화학을 잊어버린 경우를 대비해 희토류 원소는 다음과 같이 구성됩니다. 란탄 족, 이는 긴 수평 부분에 있습니다. 주기율표, 비란탄족 이트륨 및 스칸듐과 함께 3 그룹. 자석의 경우 네오디뮴, 사마륨, 세륨뿐만 아니라 "무거운" 희토류인 디스프로슘, 테르븀, 이테르븀이 가장 관심을 끌고 있습니다. 그러나 가장 강력하고 가장 많이 사용되는 영구 자석은 네오디뮴, 철, 코발트의 합금입니다. (NdFeB) 그리고 사마륨 코발트 (SM코).

희토류는 비교적 풍부하며, 이를 함유한 것으로 알려진 광물은 160종 이상입니다. 문제는 희토류를 얻기 위해 채굴되는 광물이 XNUMX개에 불과할 정도로 매우 작은 농도로 발생하고 나머지는 복구하기에는 비용이 너무 많이 든다는 것입니다. 바스트네사이트 희토류의 주요 공급원(공급량의 94%를 차지)이자 세계 네오디뮴 자석의 주요 공급원입니다. 라테라이트 점토는 중희토류의 주요 상업적 공급원입니다.

희토류는 화학적으로 매우 유사하기 때문에 분리하고 정제하는 것도 어렵습니다. 영구 자석에 대한 수요 급증을 막지는 못했지만 환경적으로도 비용이 많이 듭니다. Magnetics & Materials의 보고서 2030년까지 전 세계적으로 사용 가능한 것보다 55,000톤 더 많은 네오디뮴 자석이 필요할 것이라고 제안합니다. 실제로 29.3년 2021달러 규모였던 전체 자석 시장은 6년까지 매년 거의 2030%씩 성장할 것으로 예상됩니다. Grand View Research의 최근 분석.

세계 최대의 코발트 매장량을 보유하고 있는 콩고민주공화국(대부분의 사마륨은 중국에서 생산됨)에서 코발트를 채굴하는 방법에 대한 윤리적, 환경적 우려에도 불구하고 SmCo 자석에 대한 수요도 증가하고 있습니다. ㅏ 국제앰네스티의 새로운 보고서예를 들어, 국내 코발트 및 구리 채굴이 확대되면서 “성폭행, 방화, 구타를 포함한” 인권 침해와 함께 지역 사회가 강제 퇴거당했다고 말합니다.

비희토류 자석을 찾고 만드는 데 따른 많은 어려움이 학회에서 논의되었습니다. REPM23 컨퍼런스 지난 27월 영국 버밍엄대학교에서 개최됐다. 공식적으로 희토류와 미래 영구 자석 및 그 응용에 관한 제XNUMX차 국제 워크숍으로 알려진 이 회의에는 전 세계 학계와 업계의 훌륭하고 좋은 사람들이 모였습니다. 내가 발견한 바와 같이, 이 분야에서는 흥미롭고 중요한 연구와 기술이 엄청나게 많이 진행되고 있습니다.

성과를 추구하다

물리학적인 관점에서 볼 때, 영구 자석의 장점은 많은 에너지를 저장하여 작고 매우 효율적인 장치를 만들 수 있다는 것입니다. 일반적으로 자석 성능이 높을수록 모터 효율도 높아집니다. 따라서 고성능 자석이 비싸더라도 이를 사용하는 시스템의 다른 부분에 더 적은 비용이 소요되므로 추가 비용을 들일 가치가 있습니다. 예를 들어, 모터가 더 효율적이라는 것은 전기 자동차의 값비싼 배터리가 그렇게 클 필요가 없다는 것을 의미합니다.

따라서 영구 자석의 전반적인 성능은 매우 중요하며, 주요 성능 지수는 재료에 저장할 수 있는 에너지의 양입니다. 다음과 같이 알려져 있습니다. "최대 에너지 제품"및 BH_최대, 대략 38 kJ/m³ 페라이트(BaFeO)는 킬로그램당 약 3~6달러로 가장 저렴한 자성 재료입니다. 그러나 고성능 네오디뮴 자석의 가격은 킬로그램당 약 40~80달러입니다. BH_최대 훨씬 더 큰 410 kJ/m³.

하지만 저렴하고 에너지가 높은 제품을 갖는 것이 전부는 아닙니다. 모터나 발전기를 설계하는 회사는 큰 자기장을 생성할 수 있는 자석도 원합니다. “잔류”). 또한 자석의 강도가 높아야 합니다. “강제성”, 이는 본질적으로 자기를 없애기 위해 얼마나 많은 에너지가 필요한지 측정하는 것입니다. 보자력은 결정의 크기, 재료를 강화하는 데 사용되는 첨가제의 수 및 양을 포함한 주요 요소와 함께 자석이 만들어지는 방법에 따라 달라집니다. 보자력이 너무 낮으면 자석은 에너지를 잃고 자성을 잃어 모터나 발전기를 쓸모 없게 만듭니다.

또 다른 중요한 요소는 자석의 퀴리 온도 (T_c), 그 이상에서는 자성이 손실됩니다. 네오디뮴 자석은 상대적으로 낮은 T_c 의 210에 대한 ^oC는 대부분의 응용 프로그램에 적합합니다. 하지만 사마륨 코발트는 T_c 최대 800 ^oC로 인해 이러한 자석은 모터 스포츠 및 고온이 일반적인 기타 응용 분야에 적합합니다. 알 니코 – 알루미늄, 니켈, 코발트의 합금 – T_c 사마륨코발트(1000)보다 높음 ^o다) 그리고 BH_최대 페라이트보다 우수함(310kJ/m에서)³), 그러나 보자력이 너무 약해서 사용이 제한적입니다. 특히 보자력이 더 높은 자석이 존재하는 지금은 더욱 그렇습니다.

자석, 자석, 자석: 녹색 경제를 위해서는 많이 필요합니다

따라서 자석 커뮤니티의 사람들은 오랫동안 가격과 성능 측면에서 페라이트와 네오디뮴의 격차를 해소하는 자석을 찾고 있었습니다. 모든 사람은 네오디뮴보다 성능이 뛰어난 매우 저렴한 자석을 좋아할 것입니다. 그러나 이러한 "신과 같은" 재료는 현재 존재하지 않습니다. 실제로 어떤 사람들은 결코 존재하지 않을 것이라고 말합니다. 그럼에도 불구하고 네오디뮴 가격이 급등할 때마다 새로운 자석에 대한 관심이 다시 높아지고 있습니다. 사실, 나는 버밍엄 회의에서 얼마나 많은 잠재적인 자석 재료가 진행되고 있는지 알고 충격을 받았습니다.

적어도 나에게는 새로운 소재를 만드는 것이 도전은 아닌 것 같다. 그것 자체로. 어려운 것은 재료와 생산 공정을 최적화하는 것인데, 말 그대로 수십 년이 걸릴 수 있습니다. 일본의 과학자로서 사가와 마사토 – 네오디뮴 자석의 발명가 – 지적 REPM 개회식에서, 이러한 물질이 현재의 상태에 도달하기까지는 40년의 영웅적인 노력이 필요했습니다. BH_최대, 이는 이론적 최대값의 약 90%이며, 높은 보자력과 고성능을 달성합니다.

선택의 문제

네오디뮴에 대한 저렴한 대안 중 하나는 세륨으로, 이는 동시에 채굴되고 정제됩니다. NdFeB 자석의 네오디뮴을 부분적으로 대체하여 비용을 절감할 수 있지만 성능은 저하됩니다. 그러나 오염이 훨씬 적고 희토류를 전혀 사용하지 않는 다른 유망한 유형의 자석도 있습니다. 만약 우리가 이것을 실현할 수 있다면 우리는 실제로 비금속을 현대의 "그린 골드"로 바꾸는 것입니다.

가장 유망하고 잘 뒷받침되는 것 중 하나는 다음과 같습니다. 질화철 (펜). 저렴하고 공급이 풍부한 철과 질소라는 두 가지 재료만을 기반으로 한 이 제품은 BH_최대 1150kJ/m³ 및 T_c (총 540 단계) ^oC. 다음과 같은 회사 니론 캘리포니아에서는 이미 이 지역에 상당한 투자를 하고 있으며, 그 특성과 생산을 미세 조정하기 위해 점점 더 많은 재료 과학자를 고용하고 있습니다.

또 다른 경쟁자는 망간알루미늄탄소(MnAlC)로, 원래 1980년대에 상용화되었다가 네오디뮴 자석이 대두되면서 폐기되었습니다. 셰필드 대학의 재료 물리학자들이 이끄는 엘리자베스 데이비스-포웰, 최근에도 MnAlGa를 보여주었다MnAlC의 탄소를 갈륨으로 대체하는 것이 더 나을 수 있습니다.

그럼 거기에 테트라테이나이트 – 운석에서 발견되는 자성 물질. 정방정계 결정구조에 철과 니켈(FeNi)을 함유하고 있는 이 금속은 수백만 년에 걸쳐 불과 몇 도의 온도에서 믿을 수 없을 만큼 천천히 냉각된 후 자연에서 형성됩니다. 이론적으로는 BH_최대 335kJ/m³, 특히 철과 니켈이 매우 저렴하기 때문에 유망해 보입니다. 2022년에는 영국과 오스트리아의 연구자 지구상에서 처음으로 인을 첨가해 제작했습니다. (고급 과학. 10 2204315). 더욱이, 그들은 단 몇 초 만에 자연보다 11~15배 빠른 속도로 테트라타에나이트를 만들었습니다. 어떤 강제성을 달성할 수 있는지는 확실하지 않으며 이 자료는 아직 초기 단계입니다.

덜 비싼 희토류를 처리할 수 있다면 사마륨, 철, 질소로 구성된 SmFeN은 잘 입증된 재료 시스템이며 뛰어난 보자력을 제공합니다. 니치아 – 가볍게 여겨서는 안되는 일본 회사 – 이미 이 기술을 추구하고 있습니다. 사마륨은 네오디뮴보다 훨씬 저렴하고 수요도 적으므로 좋은 대안이 될 수 있습니다.

매력적인 미래

이들 재료 중 어떤 재료가 성공할지는 확실하지 않습니다. 그리고 제가 언급하지 않은 다른 재료도 많이 있습니다. 단기적으로(향후 XNUMX년 정도) 네오디뮴 자석은 계속해서 시장을 지배할 것이며, 위에서는 세륨이, 아래에서는 페라이트가 격차를 좁힐 것입니다. 간단히 말해서, 네오디뮴의 지배력에 도전할 수 있는 것은 아무것도 없는 것 같습니다.

실제로 우리는 희토류 원소를 풍부하게 보유하고 있습니다. 추산에 따르면 지구상에는 전 세계적으로 XNUMX만 톤의 네오디뮴이 널리 퍼져 있으며 베트남, 러시아, 인도, 호주 및 유럽에 막대한 경제적 매장량이 있습니다. 하지만 우려되는 점은 중국의 시장점유율은 80~90% (정확한 수치는 공급망을 어떻게 보느냐에 따라 달라집니다.) 공급과 통제에 대한 지정학적 질문이 큽니다. 예를 들어, 관세가 도입되거나 중국산 자석이 포함된 제품의 판매가 언젠가 금지된다면 어떻게 될까요?

이러한 문제는 모터와 발전기를 만드는 회사들에게 당연히 큰 관심사이며, 이는 미국이 희토류 자석 분야의 역량을 회복하고 있는 이유 중 하나입니다. 라스베가스에 본사를 둔 회사 MP 재료예를 들어, 건물을 짓고 있습니다. 새로운 가공 시설 영구자석 재료의 경우 마운틴 패스 광산, 캘리포니아주 네바다주의 국경 근처에 있습니다. 내 생각에는 미국이 이 물질의 자체 생산을 완전히 재개한다면 공급에 대한 우려는 완전히 사라질 것입니다.

하지만 장기적으로 볼 때 가장 유망한 대안은 훨씬 더 환경 친화적인 자석이고 지금 바로 여기에서 사용할 수 있는 아름다움을 지닌 "경질" 페라이트입니다. 적어도 그것은 버밍엄 회의에서 내가 이야기를 나눈 사람들과 재료 제조업체들의 합의였던 것 같습니다. 프로테리얼 (이전의 Hitachi Metals)는 이미 100kW의 발전소를 건설했습니다. 프로토타입 페라이트 자석 모터 그것은 전기 자동차에 적합합니다.

모터에 자석이 필요하지 않을 수도 있다는 감질나는 전망도 있습니다. 최근까지 일반적으로 영구 자석 모터는 기존 설계보다 약 10% 더 효율적이라고 가정되었습니다. 그러나 전력 전자 장치의 발전과 자석이 전혀 없는 "유도" 모터 설계의 발전으로 이러한 격차가 줄어들었습니다. 실제로 일부 유도 모터는 영구 자석을 사용하는 모터와 동등하며 비록 크고 무겁지만 앞으로 어떤 발전이 있을지 누가 ​​알겠습니까?

Tesla의 마스터 플랜 3이 지속 가능한 미래에 많은 의미가 있는 이유는 다음과 같습니다.

한편, 모터 설계 및 전자 장치의 동일한 발전은 더 저렴하고 덜 강력한 자석 재료를 사용할 수 있음을 의미합니다. 버밍엄 회의에서 모두가 최신 마스터플랜에 대해 이야기하고 있었습니다. 올해 초 Tesla Motors가 발행한, 미래의 영구 자석 모터에서 희토류를 완전히 제거하는 것을 고려했습니다. 그러나 당분간은 모터 및 발전기 설계의 발전으로 하드 페라이트가 희토류 자석에 대한 가장 유망한 대안이 될 것이라고 말하고 싶습니다.

그러나 희토류가 전혀 없는 세상은 아직 멀었습니다.

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• 출처: https://physicsworld.com/a/powering-the-green-economy-the-quest-for-magnets-without-rare-earths/