撰文 / 錢亞光
編輯 / 張 南
設計 / 師 超
在前不久的特斯拉投資者大會上，馬斯克号稱下一代永磁電機技術将完全不使用稀土材料，且不損失能效。
特斯拉提到，在 2017 年至 2022 年期間，由于提高了傳動系統的效率，他們已成功地将新 Model 3 驅動模塊的稀土使用量減少了 25％。據悉，在特斯拉現行使用的電機中，三種稀土元素分别使用了 500g、10g 和 10g。業内猜測，特斯拉展示的三個稀土元素中，第一個元素可能是钕，另外兩個是镝和铽。
據特斯拉透露，下一代電機将三種稀土元素的用量都降至 0g。此消息公布後，A 股稀土闆塊開盤遭下跌，指數跌幅超過 5%。
但就目前汽車業的認知，稀土材料在感應電機上不需要，在永磁同步電機上是不可缺少的，距離真正擺脫稀土永磁材料，還有一段很長的路要走。
稀土不是土
稀土雖然來自于土，但不是土，而是化學元素周期表中镧（La）、铈（Ce）、镨（Pr）、钕（Nd）、钷（Pm）、钐（Sm）、铕（Eu）、钆（Gd）、铽（Tb）、镝（Dy）、钬（Ho）、铒（Er）、铥（Tm）、镱（Yb）、镥（Lu）、钇（Y）和钪（Sc）等 17 種稀有金屬元素的總稱。
稀土被譽爲 " 工業的維生素 "，具有無法取代的優異磁、光、電性能，對改善産品性能，增加産品品種，提高生産效率起到了巨大的作用。
其中，镧用于合金材料和農用薄膜；铈大量應用于汽車玻璃和尾氣淨化催化劑中；镨廣泛應用于玻璃、陶瓷和磁性材料中；钕作爲永磁材料廣泛用于航天、電子、機械等行業；钷爲衛星提供輔助能量；钐應用于原子能反應堆；铕用于制造熒光劑、鏡片和液晶顯示屏等；钆用于醫療核磁共振成像；铽用于磁光存儲、磁光玻璃；铒可用于激光器，镝可用于钕鐵硼系永磁體的添加劑以及電影、印刷等照明光源；钬用于制作醫療激光器及光通訊器件；铥用于 X 光機射線源，進行臨床診斷和治療腫瘤；镱可用于熱屏蔽塗層材料、磁緻伸縮材料及電腦記憶元件添加劑；镥可作石油裂化、烷基化、氫化和聚合反應的催化劑；還可用于能源電池技術，钇可作爲鋼鐵及有色合金的添加劑，用于制造電線和飛機受力構件；钪是強還原劑，常用于制造合金，改善合金的強度、硬度和耐熱和性能。
據工業和信息化部介紹，目前稀土永磁、發光、儲氫、催化等功能材料已是先進裝備制造業、新能源、新興産業等高新技術産業不可缺少的原材料，還廣泛應用于電子、石油化工、冶金、機械、新能源、輕工、環境保護、農業等。
稀土在新能源汽車領域的運用，主要有稀土永磁電動機、稀土動力電池、三元催化器中的催化劑及氧傳感器中的陶瓷材料等。其中用于電機中的钕鐵硼永磁材料，磁能極高，被稱作當代 " 永磁之王 "。
稀土永磁電機依靠定子上的線圈和轉子上的永磁材料之間的引力和斥力，帶動轉子轉動從而實現的前進和後退。這種電機有着結構簡單，形狀和尺寸設計靈活，且具備運行可靠、體積小、質量輕、損耗小、效率高等顯著優勢，而且該電機的在新能源汽車領域中受到高度重視。
稀土材料對電機性能的改善，還包括提高電機的動磁性，使電機工作更爲穩定，同時減少運行時的磁性損失，提高電機的效率；改善電機的耐熱性，使電機在高溫的條件下仍能正常工作；使電機更耐磨，耐用，減少電機失效率，提高電機的使用壽命；阻礙噪聲傳播的作用，降低電機的噪聲，以改善車内 NVH 提升乘坐體驗等。
可以說，稀土在永磁電機中起着至關重要的作用，而永磁電機很大程度上影響了汽車的性能和效率。從綜合性能來說，永磁同步電機也是最具優勢的電機方案。數據顯示，國内永磁同步電機的裝機量高達 94%。
新能源汽車中另外一種常見的電機是感應異步電機，其利用電磁感應原理通過定子的三相電流産生旋轉磁場，并與轉子繞組中的感應電流相互作用産生電磁轉矩，以進行能量轉換帶動電機運作。
相比于永磁電機，雖然感應電機不需要用到稀土材料，具有價格低廉的優點，但其功率和扭矩更低，體積也更大。
爲何放棄稀土電機
至于特斯拉爲何要堅定不含稀土電機路線，一是要擺脫對稀土永磁材料的依賴，減少對稀土市場波動和供應鏈風險的影響。由于稀土材料價格受到市場供求、政策調控、環境因素等多重因素的影響，波動性較大。
特别是在近年來中美貿易摩擦加劇的背景下，對于依賴中國進口稀土材料的特斯拉等汽車制造商來說，無疑是一個巨大的威脅和挑戰。
二是目前稀土價格偏高，擺脫稀土，是出于降低汽車的成本和價格考慮特斯拉還計劃通過自建工廠生産無稀土永磁電機，可以節省稀土材料采購、運輸、加工等環節所産生的成本。
三是永磁電機不依賴稀土技術雖不成熟，但已經具備技術路徑，包括鐵氧體電機、開關磁阻電機、EESM- 電勵磁同步電機等。此外，可替代的非稀土永磁材料有鋁鎳钴（AlNiCo）、鐵氧體等，也已經進入商業化應用。
據悉，特斯拉下一代電機計劃使用銅線圈來替代稀土永磁體，來實現無稀土的永磁轉子。這種新型轉子結構可以降低成本、減少重量，并且更容易回收利用。目前，特斯拉還沒有公布其無稀土永磁電機的具體技術細節和實驗數據，其可行性和可靠性還有待驗證。
此外，特斯拉還需要克服一些技術難點，比如如何解決銅線圈的穩定性、耐久性和散熱性，如何優化電機控制策略等。
除計劃使用無稀土永磁電機外，特斯拉還采取了優化汽車設計和配置、尋找替代材料和供應商、回收利用廢棄汽車中的稀土材料等方式來減少對稀土的依賴。
例如，特斯拉在其 Model3 和 ModelY 等車型上，使用了前後兩個不同類型的電動機：前輪驅動由交流感應（ACI）電動機提供，後輪驅動由永磁同步（PMSM）電動機提供。這種混合驅動方式可以兼顧性能和效率，并且可以減少對稀土材料的用量。
特斯拉在其 ModelS 和 ModelX 等車型上使用的鎳钴鋁（NCA）電池，而不是使用含有稀土元素的鎳钴錳（NCM）電池。此外，特斯拉還在尋找其他稀土材料供應商，以降低對中國進口稀土材料的依賴程度。
特斯拉還通過回收利用廢舊電池中的稀土元素，如廢舊電池送到指定工廠進行拆解和分離，提取出稀土元素和其他金屬元素，再用于制造新的電池或其他産品，以節約資源、降低成本、減少環境污染。
除了特斯拉，中國、日本和歐洲的科技機構、公司和車企也在嘗試開發非稀土或少用稀土的永磁同步電機。
40 年前，日本的松下電器申請了關于 MnAl 基永磁合金之無稀土永磁材料的專利，從而成爲全球最早研發無稀土永磁材料的國家之一。
之後，日本的日立麥克斯韋公司也開始研究 MnBi 基永磁材料。盡管在 2000 年以前，少數幾家日本企業對 MnAl 基永磁材料和 MnBi 基永磁材料進行了研發和專利申請，但是之後的十年幾乎沒有任何 " 無稀土永磁體 " 領域的專利活動。
直到 2010 年，中國開始投入無稀土永磁體的專利布局。在 MnAl 基、MnBi 基及鐵氧體等無稀土永磁材料領域，中國幾乎與日本同步開始了布局，且在 2011 年底率先布局了無稀土鐵氧體永磁材料專利。
近十年來，各國都在該技術領域進行了密集的研發，創造了專利申請的高峰，而無稀土永磁材料的成分組成也成爲了兵家必争之地。
2011 年，豐田在旗下小型混合動力汽車上搭載了不含 " 重稀土元素 " 的永磁電機；2018 年，豐田宣稱将進一步研發出含有更少钕元素、但镧和铈含量更高的電機；2022 年，本田與日本大同鋼鐵 ( Daido Steel ) 公司聯合開發了全球首款沒有使用任何重稀土金屬的電機。
大衆也被曝光使用稀土含量更低、隻含铽和镝兩種稀土元素的電機。2023 年 3 月，日産也發布下一代電驅系統，同樣采用 SiC 技術以及 " 無稀土 " 電機，電驅生産成本降低 30%。
寶馬和大陸集團聯手投資了驅動電機供應商 DeepDrive，這家企業開發了一種徑向磁通雙轉子電機，括電力電子設備，可以作爲中央或輪毂電機安裝在量産車輛中。其電機中磁鐵材料減少 50%，鐵用量減少 80%，并且不含重稀土元素。
今年 2 月，日本電機巨頭電産也宣布，最快于今年秋天投放不使用重稀土類的産品。電産稱，其部分客戶考慮到業務和環保，對不使用稀土的産品期待高漲。
另外，戴姆勒、奧迪、馬勒等都在研發含有少量甚至不含稀土元素的電機。
車企執着于 " 去稀土 "，主要還是出于成本的考慮。公開資料顯示，永磁同步電機中，稀土永磁體占到整個電機原材料成本的 50% 左右，每台新能源汽車的驅動電機一般需要 2-3.5kg 的高性能钕鐵硼永磁材料。
當看到稀土價格高企，承受成本壓力的車企自然要去尋求更便宜的替代方案。無稀土永磁材料具有成本低、資源豐富、環保等優勢，因此在技術研究和産業應用方面具有廣闊的前景。
從目前情況來看，新技術尚未廣泛應用，無稀土永磁材料的性能和穩定性仍然存在一些問題，需要進一步加強研究和開發，不含稀土的永磁電機也并未實現商業化推廣，當下永磁電機的 " 稀土依賴 " 仍然嚴重。
比如 " 氧化钕 " 價格，從 2021 年初的 51.05 萬元 / 噸萬元 / 噸上漲到了 2023 年底的 77 萬元 / 噸，最緊俏的時候噸價一度突破百萬元。
對稀土産業有何影響
永磁電機目前是稀土下遊最大的應用領域，而永磁電機下遊需求最大的風電領域，占比約 20%，其次就是新能源汽車，占比約爲 15%。
特斯拉作爲全球最大的新能源汽車制造商，其對稀土材料的需求量也非常巨大。如果特斯拉能夠實現無稀土永磁電機的目标，并推廣到其所有車型上，肯定會對中國稀土産業造成一定的挑戰，因爲中國的稀土出口量中有相當一部分是用于制造永磁電機的。
如果特斯拉能夠成功實現無稀土永磁電機，并且這種電機在性能、成本和可靠性方面都能達到甚至超過傳統永磁電機的水平，那麽其他汽車制造商也可能會效仿特斯拉，紛紛推出無稀土永磁電機，也将導緻全球對稀土材料的需求量出現下降趨勢，從而影響到全球稀土市場的供需關系和價格走勢。
然而，這種影響并不會很大或很長久。雖然永磁電機是稀土材料的一個重要應用領域，但并不是唯一或最主要的應用領域，在航天、機械、電子、激光、陶瓷、合金制造、催化劑等衆多領域，仍然有着旺盛且持續增長的需求。
根據美國地質調查局（USGS）公布數據顯示，從全球儲量來看，2022 年全球稀土資源總儲量約爲 1.30 億噸，中國儲量爲 4400 萬噸（占比 35.01%），越南儲量爲 2200 萬噸（占比 17.50%），巴西儲量爲 2100 萬噸（占比 16.71%），俄羅斯儲量爲 2100 萬噸（占比 16.71%），四國總計占全球儲量的 85.93%，其餘國家占比 14.07%。
從全球産量來看，2022 年全球稀土礦産量爲 30 萬噸，其中，中國産量爲 21.0 萬噸，占全球總産量的 70%；美國稀土産量爲 4.3 萬噸（占比 14%），澳大利亞産量爲 1.8 萬噸（占比 6%），緬甸産量爲 1.2 萬噸（占比 4%）。
艾媒咨詢分析師認爲，無論是從所擁有稀土資源還是産量來看，我國都處于世界領先地位，相關産業具有重要的戰略意義。随着雙碳目标和 " 清潔能源 " 等環保理念得到國家政策支持，預計稀土材料的需求會大幅提升。
中國既是稀土供給大國，也是需求大國。中國的稀土供應自主可控，并在開采、冶煉、加工、應用等全産業鏈均有布局，形成了一個完整而成熟的産業鏈。從上遊礦産開采，到中遊的稀土材料深加工，再到下遊的終端應用領域，其産品種類和質量都有着較高的水平和競争力。
數據顯示，2022 年，我國稀土永磁累計注冊企業爲 1964 家。對于近期特斯拉 " 擺脫 " 稀土計劃，多家 A 股稀土行業上市公司紛紛表示，稀土需求不會發生太大變動，稀土行業未來發展充滿希望。
中科三環公開表示，從目前來看，稀土永磁電機依然是新能源汽車驅動電機的最優解。新能源汽車市場廣闊，單一廠商是否使用稀土永磁電機短期内不會對整個行業産生根本性影響。任何一種永磁材料從研發到産業化應用，都有一段很長的路要走，目前還沒有發現性價比更高的永磁材料。
廣晟有色表示，目前行業最先進的晶界滲透技術僅可以減少镝、铽等中重稀土的添加量約 50％-70％，特斯拉所謂的不使用稀土，并未說明其替代産品或者解決方案，同時行業内也沒有其他可替代稀土的重大技術性突破。
金力永磁表示，钕鐵硼稀土永磁技術從上世紀 80 年代發明到現在将近 40 年，正處于大規模應用而方興未艾的發展階段。目前，公司新能源汽車主要客戶的訂單規模未發生變化，公司經營正常。
此外，北方稀土認爲，雖然随着科技的進步可以有替代的産品，但是目前并沒有什麽東西可以替代。
中信證券研報分析認爲，近十年稀土永磁下遊應用場景不斷打開，傳統需求如汽車、風電、變頻空調、消費電子等穩健支撐，新興需求如新能源車、工業節能電機、工業機器人等蓬勃發展，未來人形機器人、永磁磁浮軌道技術等需求潛在增長點或持續湧現，在新興與傳統需求雙輪驅動下，稀土産業的長期成長性毋庸置疑。
本文由汽車商業評論原創出品
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