来源：DeepTech深科技
吸尘器中的电机和电动汽车中的电机有一个共同点：它们都依赖强大的永磁体来发挥作用。但制作这些磁铁的材料可能很快就会供不应求。
永磁体可以在外部没有磁场的情况下维持磁性。它们通常用于电机里，通过施加电场使其旋转。如今，高端电机中使用的永磁体都要用到稀土金属。
未来几十年，人类对这些稀土材料的需求将飙升，尤其是受到电动汽车和风力涡轮机增长的驱动。
由于矿场和加工设施难以跟上需求增长的步伐，稀土材料供应可能会捉襟见肘。
美国明尼苏达州的一家初创公司正在努力解决这一迫在眉睫的短缺问题。
这家名为 Niron Magnetics 的公司正在建造一个大规模的制造设施来生产氮化铁，这是一种源自常见元素的磁性材料，同时它也致力于改善该材料的性能，使其能够用于更强的磁体，为更多的产品提供动力。
它的成果可能有助于解决即将到来的稀土材料供应短缺问题，该问题可能会减缓我们应对气候变化的速度。
差距越来越大
其实你最熟悉的永磁体可能是由铁氧体制成的廉价永磁体，它们经常被用来制作冰箱贴。
但我们日常生活中的许多设备，如真空吸尘器和电动汽车，都需要性能更强的磁铁。使用永磁体的电机往往更强大、更高效，因此钕和镝等稀土金属对各种电子设备都至关重要。
例如，在风力涡轮机中，发电机线束中的磁铁可以将叶片运动得到的动能转化为电能。
与清洁能源技术所需的许多其他材料一样，随着世界忙于应对气候变化，我们可以预计人类对稀土金属的需求将迅速增长。
环境与政策智库 Breakthrough Institute 的气候与能源团队联合主任 Seaver Wang 表示，到 2050 年，钕和镝的供应量需要增加七倍，才能满足对风力涡轮机的需求。
此外，根据国际能源署的一项分析，到 2040 年电动汽车对稀土金属的需求可能会比目前的水平增长 15 倍。
不仅是清洁能源技术，更多的电力和廉价电子产品意味着其他行业对稀土金属的需求也将增加。
Wang 表示，我们不太可能在短期内耗尽稀土金属的储量，因为稀土金属实际上并没有那么稀有，至少就整个地球的储量而言。
但即使在能发现稀土金属的地方，它们的分布也不太集中，因此迅速、经济地扩大稀土金属的供应将是一个重大挑战。
根据材料研究公司 Adamas Intelligence 的数据，从短期来看到 2035 年全球对钕磁体的需求可能会增加两倍，而考虑到建造新矿场所需的漫长筹备时间，真正的产量到那时可能只会增加一倍。
Niron Magnetics 的 CEO 乔纳森·朗特里（Jonathan Rowntree）表示鉴于需求的不断增长，“世界需要一种不同的解决方案和技术”。
如今，我们几乎没有永磁体的替代品。回收再利用有助于减少未来对稀土开采和加工的依赖，但面对未来几十年日益增长的需求，回收材料远远无法满足。
特斯拉在 2023 年宣布，未来将在其电机中移除稀土金属，但该公司尚未透露从技术上如何做到这一点。
一些专家猜测，特斯拉计划使用性能较差的铁氧体材料，但这将增加电机的体积和重量。
朗特里和他的同事们希望，氮化铁可以（至少在一定程度上）帮助解决稀土金属供应受限的问题。因为氮化铁制作的磁铁用不到稀土金属，也不需要钴。
钴是磁铁和锂离子电池中常用的另一种金属，由于其开采活动经常涉及环境破坏和人道主义问题，它的生产正受到越来越多的审查。
一些专家表示，这些铁基材料最终产生的磁体可能会与使用稀土金属制作的一样好。
有吸引力的替代方案
美国明尼苏达大学教授、Niron Magnetics 公司的技术创始人兼首席科学家 Jian-Ping Wang 表示，尽管这种氮化铁是在 20 世纪 50 年代被发现的，但直到 20 年后研究人员才发现其强磁性。
但在那时，科学家们无法解释这种材料磁性背后的物理特性，他们在 20 世纪 90 年代一直在尝试可靠地重建磁体样本。
Wang被这个问题所吸引，于是从 2002 年开始在该大学研究氮化铁材料。
在制作了数百个样品并研究了近十年后，Wang 破解了可靠制造氮化铁薄膜的密码。他在 2010 年的一次重要会议上介绍了自己的发现。
突然间，人们对可用于制造强永磁体的稀土替代品有了更大的兴趣。美国能源部 ARPA-E 办公室资助了此类材料的开发，在资助 Wang 的同时，也促成了 Niron Magnetics 的研究。
美国埃姆斯国家实验室的高级科学家马修·克雷默（Matthew Kramer）说，稀土金属在各种技术中无处不在，因为它们在 20 世纪 60 年代被发现时，让磁铁能量密度获得了“巨大飞跃”。
磁体性能的主要指标之一是其能量密度，以兆高奥（MGOe，mega-gauss-oersteds）为测量单位。
冰箱贴的铁氧体磁体的兆高奥约为 5 左右，但钕基磁体的强度要高得多，可以达到 50 兆高奥左右。
钕等稀土金属目前是永磁体的关键成分，因为它们可以将其他金属（原子）“卷入”一种有助于产生强磁场的排列中。
永磁体因为有旋转的电子（电子自旋）才能产生磁场。不同的元素有不同数量的自由电子，在某些情况下这些自由电子可以朝同一方向旋转，从而产生磁场。在同一方向上自由旋转的电子越多，磁场就越强。
铁有很多自由电子，但如果没有一个“排序”方向，它们往往会朝着不同的方向旋转，相互抵消。
添加钕、镝和其他稀土金属可以帮助铁原子排列“整齐”，使它们的电子朝着一个方向“工作”，从而成为强大的磁铁。
氮化铁的作用很少有其他材料能做到。它可以将铁排列成一种结构，使电子以这种方式旋转，并保持它们的排列，而且不需要稀土金属。
克雷默说：“如果你能用氮（原子）以适当的方式将这些铁（原子）分散开来，你就有可能得到一块非常非常好的永磁体。”
不过，他补充道，这已被证明是一个挑战，因为这种材料很难批量制造，而且让它们保持磁化的方式需要用到复杂的化学手段。
从想法到落地
在 Wang 能够可靠地制造氮化铁薄膜后，下一步是研究如何批量制造它们，并将其挤压在一起制成磁铁。
Wang 解释说，探索制造工艺是一个挑战，部分原因是氮化铁在高温下会降解，这限制了传统磁体制造的选择。
他开发了几种批量生产氮化铁的方法，其中最有前途的方法是，在非常特殊的条件下通过氧化铁来实现氮扩散。
朗特里说，近年来 Niron 一直致力于完善和扩大制造流程，剩下的一个重大挑战是确定如何帮助氮化铁充分发挥其潜力。
理论上，氮化铁应该能够产生比钕更强的磁铁。但朗特里说，Niron 目前的磁铁只能达到 10 兆高奥左右。
这对于扬声器等设备来说已经足够了，因此该公司正在将其作为早期产品进行探索。它在一月份的 CES 上展示了用 Niron 磁铁制成的小型扬声器。
随着磁体强度的提高，氮化铁磁体将在电动汽车和风力涡轮机等设备中发挥更大的用途。
Wang 说理论上使用 Niron 目前的制造方法，这种材料应该能够达到 20 到 30 兆高奥，但要实现这一点需要“大量优化”。理论上限要高得多，氮化铁可能能够形成比目前钕基磁铁更强的磁铁。
Niron 最近从包括 GM Ventures 和 Stellantis Ventures 在内的投资机构那里获得了超过 3000 万美元的资金，总融资超过 1 亿美元。
该公司正在努力扩大其试点工厂的产能，目标是到 2024 年底达到 1000 公斤的产能。
Niron 的成果、以及其他替代方案和变通办法，可能对应对几种关键气候技术的瓶颈至关重要。
美国能源部 ARPA-E 办公室的顾问格雷格·克里默（Gregg Cremer）说：“增加磁铁供应对实现能源转型至关重要。如果没有更多的磁铁，我们将无法实现我们的目标。”
作者简介：凯茜·克龙哈特（Casey Crownhart），是《麻省理工科技评论》的气候记者，专注于可再生能源、交通以及技术如何应对气候变化。她还曾是一名自由科学和环境记者，为 Popular Science 和 Atlas Obscura 等媒体撰稿。在从事新闻工作之前，她是一名材料科学的研究员。
支持：Ren
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