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作者:徐業良(2010-11-01);推薦:徐業良(2010-11-01)
附註:本文發表於汽車購買指南雜誌,2010年十二月號,史丹福專欄。

「稀土」到底是甚麼「土」-談稀土金屬對電動車發展的影響

最近幾個月很熱門的全球經濟議題是,中國限制稀土出口引發世界各國關注(如果不是「恐慌」),特別是日本受到影響最大。前一陣子中國和日本因為釣魚台的老問題發生了激烈的海域主權爭議,日本政府強硬了幾天,中國祭出暫停出口稀土的絕招,日本也不得不對中國改採低姿態。

稀土引發的經濟、政治問題在眾家媒體上已經有非常多討論,這也不是史丹福專欄的興趣。純粹就汽車產業來說,中國限制稀土出口的政策,影響最大的是電動車和油電混合動力(hybrid)車的發展。

且慢,您心目中是不是有一個更基本的問題不好意思問出口,「稀土」到底是甚麼「土」?

「稀土」這個詞是直接從英文“rare earth”(稀少的土)翻譯過來的,這個詞只有兩個字,卻造成了兩個誤解,第一是稀土其實不是「土」而是金屬,比較完整的稱呼應該是「稀土金屬(rare earth metal)」。還記得國中化學裡學過的元素週期表嗎?稀土金屬其實是一大堆元素的總稱,在週期表中總共佔了17格,這所有17個元素的中文名字都超級奇怪,試試看您唸得出幾個字:鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、鉕(Pm)、釤(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)、鑥(Lu)、鈧(Sc)和釔(Y)

這些元素的中文名字其實也都是新創造的字,因為稀土是金屬,所以左邊一概是金部,再用該元素英文名字近似音的字放在右邊,所以也不難唸,反正有邊唸邊就對了。

稀土這個名字造成的第二個誤解,是稀土其實並不稀少。這17個稀土金屬元素在18世紀末到19世紀陸陸續續被發現時,其礦物的形態頗不尋常,而且很少稀土金屬是以單純元素的形態自然存在,都需要經過複雜的提煉程序,因此當時人們誤以為它們是非常稀有的金屬。實際上稀土金屬在地殼內的還挺多的,17個元素中蘊藏量最高的鈰(讀音同「市」)是地殼中第25豐富的元素,比鉛的蘊藏量還要高;而蘊藏量最低的稀土金屬元素鑥(讀音同「魯」),在地殼中的蘊藏量也比近來價格不斷飆漲的黃金高出200倍。

早期工業界對稀土金屬的需求並不大,1950年代之前主要供應國是印度和巴西,後來包括南非、美國加州都發現豐富的稀土金屬礦源。到了1990年代工業界對稀土金屬元素的需求遽增,中國也成為最主要的供應國,礦源主要在內蒙古地區;中國被證實的稀土金屬礦藏佔全世界37%,但是出口總量佔了全世界九成以上(一說達到97%),而且先前中國出口的稀土價格非常便宜,有中國官員比喻說是把“稀土當土買”,世界各工業強國都大量購買中國的稀土,日本的稀土更是幾乎百分之百從中國進口。稀土金屬是越來越重要的高科技工業原料,預期未來幾年全世界對稀土金屬的年需求將超過4萬噸,然而中國卻計畫反向減少出口,20099月中國宣布將2010~2015年稀土金屬元素出口的額度限制在35,000噸,今年10月更有消息指出,中國計畫將進一步降低每年稀土金屬出口額度30%,以保護本身的礦源不致過度開採,並加強供應中國本身工業需求。中國此舉也引起了各工業國家的交相指責,各國政府對中國政治施壓、向世界貿易組織WTO告狀等等動作頻頻。

OK,您大概瞭解了最近的稀土之爭,那麼稀土金屬和電動車有什麼關係?

稀土金屬在工業上的用途非常多,其中非常重要的一項用途是製造高磁性的永久磁石。永久磁石的性能是用「最大磁能積(Maximum Energy Product, MEP)」來表示,單位是“MGOe”,這個單位的意義有些難解釋,您反正知道磁石的磁能積數字越大、磁力越強就對了。目前工業應用上最普遍的永久磁石包括鐵氧磁石(Ferrite)、鋁鎳鈷磁石(AlNiCo)、釤鈷磁石(SmCo)及釹鐵硼磁石(NdFeB)等幾種,鐵氧磁石是歷史最久、最大量使用的永久磁石,磁能積在1.84.5MGOe,鋁鎳鈷磁石性能好一些,最大磁能積有11MGOe1960年代末期第一次出現採用稀土金屬的釤(讀音同「杉」)製造的釤鈷磁石,磁能積在1530MGOe之間,性能大幅提升;1983年另一個採用稀土金屬釹(讀音同「女」)的釹鐵硼磁石誕生,當時磁能積便已達到空前的35MGOe。此後釹鐵硼磁石一直保有磁性最高永磁材料的王座,號稱“永磁王”,目前工業量產的釹鐵硼磁石最高磁能積可高達55MGOe,已達理論最高磁能積64MGOe84%

電機背景的讀友們都明白,永久磁鐵的磁性是永磁馬達(PM Motor)性能最關鍵的因素,事實上永磁電動馬達發明以來技術上最重要的突破,大概就是採用稀土金屬的釤鈷磁石和後來釹鐵硼磁石的出現,高磁能積的稀土永磁材料已經在許多高性能電動馬達中(像是電動車或油電混合動力電動車使用的馬達)取代了原本的鐵氧磁石和鋁鎳鈷磁石,使得電動馬達的體積更小、重量更輕,但是卻可以產生更大的扭力和功率輸出。

除了電動車之外,大大小小的電動馬達在我們日常生活中幾乎是無所不在,數量以億計,使用高磁能積稀土金屬磁石的永磁馬達能夠減少重量和尺寸,卻能產生大得多的動力,更加節能減碳,也增加了相關產品設計的靈活性。製造電動馬達之外,高磁能積的稀土永磁材料也是高科技通訊設備的重要原料,使用在人造衛星、雷達、航空儀器等等,您常用到的音響喇叭、耳機,乃至於手機,都因為使用高磁能積的稀土永磁材料而能製作得更輕薄短小。

電動車另一個需要大量使用稀土元素的地方,是其蓄電用的電池。您的汽油引擎車只有一顆鉛酸電池用來打動啟動馬達,電動車的電池一用就是一大排,全電力驅動車輛的生產成本分析中,電池了整車成本60%,可說是電動車最關鍵的零組件,更重要的是,電動車對電池性能的要求極高。電池有多種技術路線,最有前景的應該是鎳氫電池和鋰電池。鋰電池早已是消費性電子產品內部的關鍵零組件,但展望未來鋰電池更大的市場必然來自電動車,一輛電動車內就需要搭載可供1000-2000台筆記型電腦使用的鋰電池!

不過目前市面上多數油電混合動力電動車仍然選擇使用鎳氫電池,其中又以全球數量最多的油電混合動力車Toyota Prius為代表。由於仍擔心鋰離子電池技術的安全性和高成本,兩年前Toyota決定不在2009年春季推出的第三代Prius油電混合動力車上使用鋰鈷電池技術,改以新款的鎳氫電池替代。

但無論那一種電池,要想達到電動車使用要求的話,都離不開稀土,例如Toyota Prius採用的鎳氫電池,要使用大量的稀土金屬鑭(讀音同「爛」),主要用在負極合金材料,能夠讓電池保持優良高速放電特性,同時抑制電池使用壽命的衰減,即使長期不使用仍有很好的充放電特性。鋰電池則需要稀土金屬釔(讀音同「乙」),最新技術在鋰電池加入釔作為添加劑生產電池正極材料,製成稀土釔鐵鋰電池,充電時有溫度低、能量密度高等特點,可高出多倍的電流及電壓進行充電,大大改善電動車充電時間及續航里程。今年四月中國也搭配上海世博展示了應用於電動車,蓄電量達到300700安培小時的釔鐵鋰電池,在大型巴士上使用據稱每充電20分鐘行車可達400公里,成為電動車業界的新標準。

OK,電動車上需要用到大量的稀土金屬。電動車還沒有真正普及,駕駛油電混合動力車的車主,多少都有點兒搶作環保先鋒的動機,然而他們可能沒有想到,他們的混合動力車正以驚人的速度消耗掉地球上的稀土資源。油電混合動力車是目前世界上消耗稀土金屬元素最大的產品,目前製作一部Prius的電動馬達的永久磁鐵要使用大約1公斤的稀土金屬釹,Prius車上的鎳氫電池則要使用10公斤以上的稀土金屬鑭,如果Prius要持續提升其動力系統的效率的話,稀土金屬的使用量還會持續增加。

單一電動車使用稀土金屬的量不算特別大,但汽車生產的數量龐大,2012年估計全球電動車數量將達到200萬輛,所以累積起來對稀土金屬的消耗驚人。另一個需要大量使用稀土金屬的產業是風力發電系統中的是發電機,發電機基本的構造和電動馬達完全相同,最關鍵的部分也是釹鐵硼永磁材料。和電動車馬達相比,風力發電機的體積、功率都非常大,一部大型的風力發電機要用到1噸以上的釹鐵硼永磁材料!

日本在電動車的發展居世界領先地位,日本汽車大廠豐田、三菱和本田都大量生產油電混合動力車和電動車,然而日本本身完全不生產稀土金屬,日本高科技電子產品和油電混合動力車所需要的稀土,幾乎完全從中國進口,所以您知道日本政府為何對中國限制稀土出口的政策如此緊張了。因應中國稀土供應的問題,日本政府最近動作頻頻,已經和越南政府元首級會談,簽定多項協定與越南合作開發稀土資源,包括稀土的勘探、開採、研發和提煉,以擺脫對中國過度依賴。

在電動車馬達發展上,日本新能源暨產業技術開發組織(NEDO)和北海道大學合作開發出一款汽車馬達,使用一般電器的鐵氧磁石,據稱從2012年起生產便可量產這種無需稀土原料的新一代電動車馬達。這項計畫代表日本對於開發替代稀土金屬的技術已有高度警覺,使用廉價的鐵氧磁石技術預期將會提升日本在開發新一代電動車方面的競爭力,當然他們也承認,這款電動車馬達的性能,目前還遠不如採用稀土金屬的電動馬達。

日本產業界作的另外一項努力,是從報廢手機和電腦中回收這些稀土金屬。日本國家礦業科學研究所指出,日本的報廢電器中約含有30萬噸的稀土金屬,儘管與中國所蘊藏的稀土礦比起來微不足道,也不足以滿足日本科技產業的需求,但開發稀土金屬回收技術,還是或多或少可以幫助日本減少對中國的倚賴。

電動車才剛剛起步,根本還談不上普及,就碰上稀土金屬原料供應不足的問題。世界稀土大戰方興未艾,電動車發展的前景,也似乎突然蒙上一層陰影…