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

Gần đây tôi đã đến Newcastle để tham dự PEMD2022 – Hội nghị quốc tế lần thứ 11 về điện tử công suất, máy móc và truyền động. Điều làm tôi ấn tượng không chỉ là những cải tiến lớn về hiệu suất đang diễn ra ở động cơ điện và máy phát điện mà còn là chúng ta còn phải nỗ lực bao xa để khiến phương tiện giao thông hoàn toàn không có carbon.

Doanh số bán ô tô điện toàn cầu (bao gồm cả xe chạy bằng pin hoàn toàn, pin nhiên liệu và xe plug-in hybrid) đã tăng gấp đôi vào năm 2021 lên mức cao nhất mọi thời đại là 6.6 triệu chiếc. Hiện nay, chúng chiếm 5–6% doanh số bán xe, với số lượng xe được bán ra mỗi tuần nhiều hơn cả năm 2012, theo thống kê của Hiệp hội. Triển vọng xe điện toàn cầu năm 2022 báo cáo.

Mỗi chiếc xe điện mới sẽ cần ít nhất một động cơ điện công suất cao.

Theo công ty nghiên cứu thị trường, có nhiều dự đoán khác nhau nhưng doanh số hàng năm dự kiến ​​sẽ tăng lên 65 triệu xe điện vào năm 2030 trên toàn cầu. IHS Markit. Ngược lại, doanh số bán xe sử dụng động cơ đốt trong hàng năm sẽ giảm từ 68 triệu chiếc vào năm 2021 xuống còn 38 triệu chiếc vào năm 2030.

Điều hiển nhiên là mỗi chiếc xe điện mới sẽ cần ít nhất một động cơ điện công suất cao. Hầu như tất cả (khoảng 85%) các phương tiện này hiện đang sử dụng động cơ có nam châm vĩnh cửu (PM) vì chúng hiệu quả nhất (kỷ lục là 98.8%). Một số sử dụng động cơ và máy phát điện cảm ứng dòng điện xoay chiều (AC), nhưng chúng kém hiệu suất hơn động cơ PM 4–8%, nặng hơn tới 60% và lớn hơn tới 70%.

Tuy nhiên, những động cơ và máy phát điện không phải PM này vẫn hoàn hảo cho xe tải, tàu thủy và máy phát điện tua-bin gió. Về nguyên tắc, chúng cũng dễ tái chế vì chúng có thể được làm từ một vật liệu (chẳng hạn như nhôm) và sau đó tan chảy khi chúng hết tuổi thọ. Một số công ty, như Tesla Motors, thậm chí còn kết hợp các phương pháp tiếp cận PM và điện từ trong các thiết kế phức tạp hơn bao giờ hết để tối ưu hóa hiệu suất và phạm vi hoạt động. Tuy nhiên, sẽ không có tiến bộ nào trong lĩnh vực xe điện nếu không có những tiến bộ to lớn trong lĩnh vực điện tử năng lượng thể rắn.

Thu hút từ

Nam châm đã đi được một chặng đường dài kể từ khi một người chăn cừu ở Magnesia, phía bắc Hy Lạp nhận thấy những chiếc đinh trong giày của mình và đầu kim loại của cây trượng của anh ta bị dính chặt vào một tảng đá từ tính (hoặc truyền thuyết kể lại như vậy). Những “đá nam châm” này đã được sử dụng hàng nghìn năm trong la bàn để định hướng nhưng phải đến đầu những năm 1800, Hans Christian Ørsted mới phát hiện ra rằng dòng điện có thể tác động lên kim la bàn.

Cuộc trình diễn đầu tiên về động cơ có chuyển động quay xảy ra vào năm 1821 khi Michael Faraday nhúng một sợi dây treo tự do vào một bể thủy ngân, trên đó đặt một PM. Động cơ điện DC đầu tiên có thể quay máy được nhà khoa học người Anh phát triển cá tầm William vào năm 1832. Các nhà phát minh người Mỹ Thomas và Emily Davenport đã chế tạo động cơ điện DC chạy bằng pin thực tế đầu tiên vào cùng thời điểm.

Những động cơ này được sử dụng để chạy máy công cụ và máy in. Nhưng vì năng lượng pin quá đắt nên động cơ không thành công về mặt thương mại và Davenports cuối cùng bị phá sản. Các nhà phát minh khác cố gắng phát triển động cơ DC chạy bằng pin cũng phải vật lộn với chi phí của nguồn điện. Cuối cùng, vào những năm 1880, sự chú ý chuyển sang động cơ AC, lợi dụng thực tế là AC có thể được truyền đi quãng đường dài ở điện áp cao.

“Động cơ cảm ứng” AC đầu tiên được phát minh bởi nhà vật lý người Ý Galileo Ferraris vào năm 1885, với dòng điện dẫn động động cơ thu được nhờ cảm ứng điện từ từ từ trường của cuộn dây stato. Cái hay của thiết bị này là nó có thể được chế tạo mà không cần bất kỳ kết nối điện nào với rôto – một cơ hội thương mại đã được Nikola Tesla nắm bắt. Sau khi độc lập phát minh ra động cơ cảm ứng của riêng mình vào năm 1887, ông đã được cấp bằng sáng chế cho động cơ AC vào năm sau.

Tuy nhiên, trong nhiều năm, PM có trường không cao hơn magnetite xuất hiện tự nhiên (khoảng 0.005 T). Mãi cho đến khi phát triển alnico (hợp kim chủ yếu là nhôm, niken và coban) vào những năm 1930 thì động cơ và máy phát điện PM DC hữu dụng thực tế mới trở thành hiện thực. Vào những năm 1950, PM ferrite (gốm) giá rẻ xuất hiện, tiếp theo là vào những năm 1960 bởi nam châm samarium và coban, chúng lại mạnh hơn.

Nhưng yếu tố thay đổi cuộc chơi thực sự xảy ra vào những năm 1980 với việc phát minh ra PM neodymium, chứa neodymium, sắt và boron. Ngày nay, loại PM neodymium N42 có cường độ khoảng 1.3 T, mặc dù đó không phải là thước đo quan trọng duy nhất khi nói đến thiết kế nam châm và động cơ: nhiệt độ vận hành cũng rất quan trọng.

Giá của một số vật liệu đất hiếm đã tăng vọt, thúc đẩy một lượng lớn nghiên cứu về các thành phần nam châm mới.

Đó là do hiệu suất của PM giảm khi chúng khởi động và khi chúng vượt quá “điểm Curie” (khoảng 320 °C đối với nam châm neodymium), chúng sẽ khử từ hoàn toàn – khiến động cơ trở nên vô dụng. Một điều quan trọng khác về tất cả các nam châm đất hiếm, bao gồm neodymium, coban và samarium, là chúng có độ kháng từ cao, nghĩa là chúng không dễ dàng khử từ khi hoạt động. Để tạo ra nam châm có độ kháng từ cao nhất và hiệu suất nhiệt độ tốt nhất, bạn cũng cần một lượng nhỏ đất hiếm nặng khác như dysprosium, terbium và praseodymium.

Câu hỏi về nguồn cung

Vấn đề là các nguyên tố đất hiếm đang bị thiếu hụt. Không phải vì bản chất chúng hiếm mà tên của chúng đơn giản xuất phát từ vị trí của chúng trong bảng tuần hoàn. Theo một báo cáo năm ngoái từ Công ty TNHH Từ tính & Vật liệuĐến năm 2030, thế giới sẽ cần thêm 55,000 tấn nam châm neodymium so với khả năng sẵn có, với 40% tổng nhu cầu dự kiến ​​sẽ đến từ xe điện và 11% từ tua-bin gió.

Trung Quốc hiện sản xuất 90% tổng số nam châm neodymium trên thế giới, đó là lý do Mỹ, EU và các nước khác đều cố gắng phát triển năng lực trong chuỗi cung ứng để không bị thiệt thòi. Giá của một số vật liệu đất hiếm đã tăng vọt, thúc đẩy một lượng lớn nghiên cứu về thành phần nam châm mới, tái chế nam châm hiện có và động cơ cảm ứng AC tiên tiến.

Dù bạn nhìn nó theo cách nào, chúng ta sẽ cần rất nhiều nam châm nếu muốn xanh hóa nền kinh tế.