Nam châm có thể không phải là thứ gì đó trong suy nghĩ của hầu hết mọi người, nhưng chúng rất cần thiết cho “nền kinh tế xanh” đang phát triển, nằm ở trung tâm của động cơ cho xe điện và máy phát điện trong tua-bin gió. Nhu cầu đang tăng lên đặc biệt đối với các nam châm vĩnh cửu, mạnh mẽ được làm từ hợp kim của nguyên tố đất hiếm. Nhưng với sự không chắc chắn về nguồn cung cấp đất hiếm liên tục, việc tìm kiếm các nam châm thay thế cũng hoạt động tốt nhưng được làm hoàn toàn từ các nguyên tố khác đang được tiến hành.

Trong trường hợp bạn quên thành phần hóa học, các nguyên tố đất hiếm bao gồm đèn lồng, nằm trong phần nằm ngang dài của bảng tuần hoàn, cùng với yttrium và scandium không chứa lanthanides trong nhóm 3. Khi nói đến nam châm, điều được quan tâm nhiều nhất là neodymium, samarium và cerium cũng như các loại đất hiếm “nặng” – dysprosium, terbium và ytterbium. Tuy nhiên, nam châm vĩnh cửu mạnh nhất và được sử dụng nhiều nhất là hợp kim của neodymium, sắt và coban. (NdFeB) và coban samari (SmCo).

Đất hiếm tương đối dồi dào, với hơn 160 khoáng chất được biết là có chứa chúng. Vấn đề là, chúng xuất hiện ở nồng độ rất nhỏ nên chỉ có XNUMX khoáng chất được khai thác để lấy đất hiếm, những khoáng chất còn lại quá đắt để thu hồi. Bastnäsite là nguồn cung cấp đất hiếm chính - chiếm 94% nguồn cung - và là nguồn nam châm neodymium chính của thế giới. đất sét Laterittrong khi đó, lại là nguồn cung cấp đất hiếm nặng cho mục đích thương mại.

Việc tách và tinh chế đất hiếm cũng khó khăn vì chúng rất giống nhau về mặt hóa học. Nó cũng gây tốn kém về mặt môi trường, mặc dù điều đó không ngăn được nhu cầu về nam châm vĩnh cửu tăng cao. Báo cáo từ Từ tính & Vật liệu gợi ý rằng đến năm 2030, thế giới sẽ cần thêm 55,000 tấn nam châm neodymium so với khả năng sẵn có. Thật vậy, thị trường nam châm tổng thể, trị giá 29.3 USD vào năm 2021, dự kiến ​​sẽ tăng trưởng gần 6% mỗi năm cho đến năm 2030, theo một phân tích gần đây từ Grand View Research.

Nhu cầu về nam châm SmCo cũng đang tăng lên, bất chấp những lo ngại về đạo đức và môi trường về cách khai thác coban ở Cộng hòa Dân chủ Congo, nơi có trữ lượng nguyên tố này lớn nhất thế giới (hầu hết samarium đến từ Trung Quốc). MỘT báo cáo mới của Tổ chức Ân xá Quốc tếchẳng hạn, nói rằng việc mở rộng khai thác coban và đồng ở nước này đã dẫn đến việc các cộng đồng bị buộc phải trục xuất cùng với vi phạm nhân quyền “bao gồm tấn công tình dục, đốt phá và đánh đập”.

Nhiều thách thức trong việc tìm kiếm và chế tạo nam châm không phải đất hiếm đã được thảo luận tại hội nghị. Hội nghị REPM23 được tổ chức tại Đại học Birmingham ở Anh vào tháng 27. Được biết đến chính thức là Hội thảo quốc tế lần thứ XNUMX về Đất hiếm và Nam châm vĩnh cửu trong tương lai cũng như các ứng dụng của chúng, cuộc họp đã nêu bật những điều tuyệt vời và tốt đẹp từ giới học thuật và ngành công nghiệp trên khắp thế giới. Như tôi đã khám phá ra, có rất nhiều nghiên cứu và công nghệ thú vị và quan trọng đang diễn ra trong lĩnh vực này.

Tìm kiếm hiệu suất

Từ quan điểm vật lý, vẻ đẹp của nam châm vĩnh cửu là chúng lưu trữ rất nhiều năng lượng, cho phép chế tạo các thiết bị nhỏ và hiệu quả cao từ chúng. Nói chung, hiệu suất nam châm càng cao thì hiệu suất động cơ càng cao. Vì vậy, mặc dù nam châm hiệu suất cao đắt tiền nhưng nó đáng giá hơn vì cần phải chi ít tiền hơn cho các bộ phận khác của hệ thống mà chúng được sử dụng. Ví dụ, một động cơ hiệu quả hơn có nghĩa là bộ pin đắt tiền trong xe điện không cần phải quá lớn.

Do đó, hiệu suất tổng thể của nam châm vĩnh cửu là rất quan trọng, với giá trị then chốt là lượng năng lượng bạn có thể lưu trữ trong vật liệu. Được biết đến như là “sản phẩm năng lượng tối đa”, hoặc là BH_{tối đa}, nó vào khoảng 38 kJ/m³ đối với ferrite (BaFeO), vật liệu từ tính rẻ nhất với giá khoảng 3–6 USD/kg. Nhưng đối với nam châm neodymium hiệu suất cao, có giá khoảng 40–80 USD mỗi kg, BH_{tối đa} lớn hơn nhiều 410 kJ/m³.

Nhưng giá rẻ và sản phẩm có năng lượng cao không phải là tất cả. Các công ty thiết kế động cơ hoặc máy phát điện cũng muốn có một nam châm có thể tạo ra từ trường lớn (tức là có cường độ từ trường lớn). “sự sót lại”). Ngoài ra, nam châm cần phải có cường độ cao “sự cưỡng bức”, về cơ bản là thước đo lượng năng lượng cần thiết để khử từ nó. Độ cưỡng chế phụ thuộc vào cách chế tạo nam châm, với các yếu tố chính bao gồm kích thước của tinh thể cũng như số lượng và lượng chất phụ gia được sử dụng để làm cứng vật liệu. Nếu lực kháng từ quá thấp, nam châm sẽ mất năng lượng, khử từ và khiến động cơ hoặc máy phát điện trở nên vô dụng.

Một yếu tố quan trọng khác là nam châm Nhiệt độ Curie (T_c), trên đó từ tính của nó bị mất. Nam châm neodymium có điện áp tương đối thấp T_c khoảng 210 ^oC, điều này tốt cho hầu hết các ứng dụng. Nhưng samari coban có T_c lên đến 800 ^oC, làm cho những nam châm này trở nên tuyệt vời trong môn thể thao đua xe và các ứng dụng khác nơi nhiệt độ cao là phổ biến. AlNiCo – một hợp kim của nhôm, niken và coban – là vật liệu chủ đạo duy nhất có T_c cao hơn samari coban (1000 ^oC) và a BH_{tối đa} tốt hơn ferrite (ở mức 310 kJ/m³), nhưng lực kháng từ của nó kém đến mức ít được sử dụng, đặc biệt là hiện nay có nam châm có lực kháng từ cao hơn.

Nam châm, nam châm, nam châm: chúng ta sẽ cần rất nhiều cho nền kinh tế xanh

Do đó, mọi người trong cộng đồng nam châm từ lâu đã tìm kiếm một nam châm nằm ở khoảng cách giữa ferit và neodymium về giá cả và hiệu suất. Mọi người đều thích một nam châm siêu rẻ hoạt động tốt hơn neodymium nhưng những vật liệu “thần thánh” này hiện không tồn tại – trên thực tế, một số người nói rằng chúng sẽ không bao giờ tồn tại. Tuy nhiên, mỗi khi giá neodymium tăng đột biến, mối quan tâm đến nam châm mới lại trỗi dậy. Trên thực tế, tôi đã bị sốc khi biết được tại cuộc họp ở Birmingham có bao nhiêu vật liệu nam châm tiềm năng đang được sử dụng.

Ít nhất đối với tôi, có vẻ như thách thức không nằm ở việc tạo ra vật liệu mới cho mỗi gia nhập. Điều khó khăn là tối ưu hóa vật liệu và quy trình sản xuất, có thể mất hàng thập kỷ. Là nhà khoa học Nhật Bản Masato Sagawa – người phát minh ra nam châm neodymium – đã chỉ ra trong phiên họp toàn thể khai mạc tại REPM, phải mất 40 năm nỗ lực anh dũng để những vật liệu này đạt đến mức hiện tại BH_{tối đa}, bằng khoảng 90% giá trị tối đa theo lý thuyết của nó và để đạt được độ cưỡng chế cao và hiệu suất cao.

Một vấn đề của sự lựa chọn

Một chất thay thế rẻ hơn cho neodymium là xeri, được đào lên và tinh chế cùng một lúc. Nó có thể thay thế một phần neodymium trong nam châm NdFeB, giảm chi phí nhưng làm giảm hiệu suất. Tuy nhiên, có một số loại nam châm hứa hẹn khác ít gây ô nhiễm hơn và hoàn toàn không sử dụng đất hiếm. Nếu chúng ta có thể thực hiện được những điều này, chúng ta thực sự sẽ biến kim loại cơ bản thành “vàng xanh” thời hiện đại.

Một trong những hứa hẹn nhất và được hỗ trợ tốt dường như là nitrit sắt (FeN). Chỉ dựa vào hai nguyên liệu – sắt và nitơ – rẻ tiền và có nguồn cung dồi dào, nó có BH_{tối đa} 1150 kJ/m³ và T_c của 540 ^oC. Các công ty thích Niron ở California đã đầu tư đáng kể vào khu vực này, tuyển dụng số lượng lớn các nhà khoa học vật liệu ngày càng tăng để tinh chỉnh các đặc tính và sản xuất của nó.

Một đối thủ khác là cacbon nhôm mangan (MnAlC), chất ban đầu được thương mại hóa vào những năm 1980 trước khi bị bỏ rơi khi nam châm neodymium xuất hiện. Các nhà vật lý vật liệu tại Đại học Sheffield, dẫn đầu bởi Elizabeth Davis-Fowell, thậm chí gần đây chứng tỏ rằng MnAlGa, chất thay thế carbon trong MnAlC bằng gali, vẫn có thể tốt hơn.

Sau đó có tetrataenit – một vật liệu từ tính được tìm thấy trong thiên thạch. Chứa sắt và niken (FeNi) trong cấu trúc tinh thể tứ giác, nó được hình thành trong tự nhiên sau khi được làm lạnh cực kỳ chậm chỉ vài độ trong hàng triệu năm. Với một lý thuyết BH_{tối đa} là 335 kJ/m³, nó có vẻ đầy hứa hẹn, đặc biệt là vì sắt và niken rất rẻ. vào năm 2022 các nhà nghiên cứu ở Anh và Áo chế tạo nó lần đầu tiên trên Trái đất bằng cách thêm phốt pho (Adv.Sci. 10 2204315). Hơn nữa, họ đã tạo ra tetrataenite chỉ trong vài giây – nhanh hơn từ 11 đến 15 bậc độ lớn so với trong tự nhiên. Vẫn chưa rõ lực cưỡng chế nào có thể đạt được và đây chỉ là những ngày đầu cho vật liệu này.

Nếu bạn có thể xử lý được đất hiếm rẻ hơn thì SmFeN, bao gồm samarium, sắt và nitơ, là một hệ thống vật liệu đã được chứng minh tốt và mang lại khả năng kháng từ tuyệt vời. nichia – một công ty Nhật Bản không thể xem nhẹ – là đã theo đuổi công nghệ này. Samarium rẻ hơn nhiều và có nhu cầu ít hơn neodymium nên có thể là một lựa chọn thay thế tốt.

Tương lai hấp dẫn

Vẫn chưa rõ vật liệu nào trong số này sẽ thành công – và còn nhiều vật liệu khác mà tôi chưa đề cập đến. Trong ngắn hạn – trong khoảng XNUMX năm tới – có vẻ như nam châm neodymium sẽ tiếp tục thống trị thị trường, với xeri thu hẹp khoảng cách từ phía trên và ferrit từ phía dưới. Nói một cách đơn giản, dường như không gì có thể thách thức được sự thống trị của neodymium.

Quả thực, chúng ta có trữ lượng dồi dào các nguyên tố đất hiếm: ước tính cho thấy có XNUMX triệu tấn neodymium trên hành tinh trải rộng khắp thế giới, với trữ lượng kinh tế lớn ở Việt Nam, Nga, Ấn Độ, Úc và Châu Âu. Tuy nhiên, điều đáng lo ngại là Trung Quốc chiếm 80–90% thị phần (con số chính xác phụ thuộc vào cách bạn nhìn vào chuỗi cung ứng) và có những câu hỏi lớn về địa chính trị đối với nguồn cung và kiểm soát. Ví dụ, điều gì sẽ xảy ra nếu thuế quan được áp dụng hoặc nếu một ngày nào đó các sản phẩm có chứa nam châm từ Trung Quốc bị cấm bán.

Những vấn đề như vậy đương nhiên là mối quan tâm lớn đối với các công ty sản xuất động cơ và máy phát điện, đó là một lý do tại sao Hoa Kỳ đang khôi phục khả năng sản xuất nam châm đất hiếm. Công ty có trụ sở tại Las-Vegas Vật liệu MP, ví dụ, đang xây dựng cơ sở xử lý mới đối với vật liệu nam châm vĩnh cửu Mountain Pass của tôi, nằm ở California, gần biên giới với Nevada. Quan điểm của tôi là nếu Hoa Kỳ khôi phục hoàn toàn hoạt động sản xuất nguyên liệu này của chính mình thì những lo ngại về nguồn cung sẽ hoàn toàn biến mất.

Tuy nhiên, về lâu dài, các lựa chọn thay thế hứa hẹn nhất là ferrites “cứng”, là một nam châm thân thiện với môi trường hơn nhiều và có vẻ đẹp sẵn có ngay tại đây, ngay bây giờ. Ít nhất, điều đó dường như là sự đồng thuận của những người tôi đã nói chuyện tại cuộc họp ở Birmingham, với nhà sản xuất vật liệu bảo vệ (trước đây gọi là Hitachi Metals) đã xây dựng một nhà máy 100 kW nguyên mẫu động cơ nam châm ferrite phù hợp với xe điện.

Ngoài ra còn có một viễn cảnh đầy trêu ngươi là chúng ta thậm chí có thể không cần đến nam châm cho động cơ. Cho đến gần đây, người ta thường cho rằng động cơ từ vĩnh cửu có hiệu suất cao hơn khoảng 10% so với thiết kế thông thường. Nhưng sự phát triển trong lĩnh vực điện tử công suất và những tiến bộ trong thiết kế động cơ “cảm ứng”, hoàn toàn không có nam châm, đã thu hẹp khoảng cách này. Trên thực tế, một số động cơ cảm ứng ngang bằng với những động cơ có nam châm vĩnh cửu, và mặc dù chúng to và nặng nhưng ai biết được sẽ có những tiến bộ gì.

Đây là lý do tại sao Kế hoạch tổng thể 3 của Tesla rất có ý nghĩa cho một tương lai bền vững

Trong khi đó, những tiến bộ tương tự trong thiết kế động cơ và thiết bị điện tử có nghĩa là có thể sử dụng các vật liệu nam châm rẻ hơn, ít mạnh hơn. Tại cuộc họp ở Birmingham, mọi người đang nói về kế hoạch tổng thể mới nhất được phát hành vào đầu năm nay bởi Tesla Motors, dự tính loại bỏ hoàn toàn đất hiếm khỏi động cơ nam châm vĩnh cửu trong tương lai. Tuy nhiên, hiện tại, với sự trợ giúp của những tiến bộ trong thiết kế động cơ và máy phát điện, tôi có thể nói rằng ferrite cứng là giải pháp thay thế hứa hẹn nhất cho nam châm đất hiếm.

Tuy nhiên, một thế giới hoàn toàn không có đất hiếm vẫn còn là một chặng đường dài.

• Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Trao quyền cho chính mình. Truy cập Tại đây.
• PlatoAiStream. Thông minh Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
• Trung tâmESG. Than đá, công nghệ sạch, Năng lượng, Môi trường Hệ mặt trời, Quản lý chất thải. Truy cập Tại đây.
• PlatoSức khỏe. Tình báo thử nghiệm lâm sàng và công nghệ sinh học. Truy cập Tại đây.
• nguồn: https://physicsworld.com/a/powering-the-green-economy-the-quest-for-magnets-without-rare-earths/