科學研究 - 節省時間和成本的EV電動機磁鐵稀土回收技術

山口勉功

早稻田大學理工學術院教授

■技術概要

作爲實施碳中和的措施，電動車的普及備受期待。早稻田大學與日產汽車公司透過產學合作確立了新的稀土回收技術，透過採用高溫工藝幹法熔煉技術簡化了工藝，無需拆解電動車的電動機或對磁鐵進行退磁，與傳統方法相比，作業時間可減量50％。

■背景與經過

日本前内閣總理大臣菅義偉在施政演講中宣佈2050年之前實施溫室氣體淨零排放、即2030年度將溫室氣體較2013年度削減46％，2050年實施碳中和的減排目標，並要求採取實施這些目標的具體措施。2019年日本的二氧化碳總排放量爲11.08億噸，其中客運和貨運汽車的總排放量佔1.77億噸（16％）【1】。所以透過汽車的電動化來削減二氧化碳的做法備受期待，日本已經宣佈在2035年之前實施新車銷售100％的電動化。

2019年全球汽車產量約爲9,200萬輛，其中日系汽車廠商（包括在海外生產的部分）的產量達2,850萬輛。2020年日本客車中混合動力車（HV）、插電式混合動力車（PHV）、純電動車（EV）和燃料電池車（FCV）等電動車的總銷量爲135萬輛【2】。爲減量二氧化碳排放，電動車的銷量預計會進一步增加。

用於驅動和發電的電動機在電動車中是必不可少的關鍵部件。雖然日產汽車的「ARIYA」採用了不使用磁鐵的汽車驅動電動機，但從提高電動機的性能和減小電動機的尺寸的角度來看，很多電動車的電動機還都在使用釹磁鐵。釹磁鐵由稀有金屬釹、鐠、鏑、鋱等稀土元素（rare-earth element：REE）構成【3】。近年來，雖然澳大利亞和越南等中國以外的國家也開始生產稀土，但重稀土元素鏑和鋱卻僅限於中國。另外，稀土礦床可能含有放射性物質，在稀土的熔煉和精煉中必須對其進行處理和管理。此外，爲實施碳中和，與電動車電動機同樣，來自風力發電和空調等節能家電的稀土需求也會增加。考慮到稀土的資源分佈不均、環境負荷和供需平衡等問題，稀土的回收利用成爲緊迫任務。

每輛電動車大約使用1.25kg釹磁鐵，其中磁鐵質量的約三分之一爲稀土元素。如果把2019年生產的汽車全部爲電動車，則一共需要38,000噸稀土。另一方面，預計2030年的報廢汽車爲102.5萬輛/年，將產生1,280噸/年的廢棄釹磁鐵，430噸/年的廢棄稀土【4】。

目前，電動車電動機磁鐵的回收是從製造程序中產生的缺陷電動機中回收磁鐵，幾乎可以100％回收利用。缺陷電動機被拆解成轉子、定子和外殼後，定子被進一步拆解，分離出銅線和鐵類廢料。轉子具有由釹磁鐵產生的強磁力，因此要加熱到350～500℃，進行熱退磁後再拆解回收釹磁鐵。回收的磁鐵在高溫下進行真空再溶解，變成磁鐵使用的母合金。爲了重新作爲電動車用磁鐵原料，有嚴格的雜質控制目標【5】，即需要滿足將磁鐵中的碳和氧的濃度分別降至100和300mass ppm以下。由於真空溶解很難去除碳，所以透過將回收的釹磁鐵粉碎，利用氧化焙燒法氧化稀土和鐵後進行濕法處理，可將含釹、鐠、鏑和鋱的復合稀土作爲氧化物和氯化物回收，並再生爲電動車電動機磁鐵。另一方面，從城市的廢舊電動機中回收稀土的做法由於沒有回收和運輸系統以及回收和分離成本高等終極因數一直未實施。

筆者等人根據釹磁鐵的回收利用現狀，研究透過幹法熔煉技術（採用磁鐵退磁和電動機拆解可實施省力化的高溫工藝）從釹磁鐵中回收稀土。另一方面，日產汽車爲透過推進汽車的電動化實施碳中和社會，同時徹底擺脫對新礦產資源的依賴，制定了「日產綠色計劃2022（Nissan Green Program 2022）」，爲此正積極致力於電動車電動機的稀土使用量削減和電動機釹磁鐵的再生利用【6】。然而，目前的工藝需要手動進行電動機的熱處理、拆解和提取，爲促進今後的回收利用，需要開發一種簡單、低成本的回收技術。

早稻田大學「各務紀念材料技術研究所」目前擁有可利用實際的電動車電動機做實驗的100kg大型熔解爐，所以早稻田大學和日產汽車從2017年開始，透過產學合作開發從電動車電動機磁鐵中輕鬆回收稀土的技術【6】。

■内容與成果

作爲開發的實際案例，照片1展示了電動車驅動電動機的轉子。轉子由電磁石用鋼板等鐵類材料和1.75kg的Nd-Fe-B類釹磁鐵構成。磁鐵中的釹、鐠、鏑、鋱的濃度分別爲21、5.0、2.5、0.4mass％，稀土濃度合計爲28.9mass％，其餘爲鐵和硼【3】。轉子具有強磁力，因此電動機拆解和釹磁鐵回收必須進行熱退磁。另外，電動機爲承受驅動時產生的力和振動，被設計和製造得很堅固，是非常難拆解的部件。

照片1：純電動車驅動電動機的轉子（照片：日產汽車）

我們開發的從電動車電動機中回收稀土的程序如圖1所示。利用該方法，無需對從電動車電動機中回收的轉子進行熱退磁和拆解，即可透過Na₂B₄O₇助熔劑將磁鐵中的稀土元素作爲熔融氧化物（熔渣）回收。

圖1：從電動車的電動機磁鐵中回收稀土的流程【6】（提供：日產汽車）

首先，在約1,400℃的溫度下將含有未進行熱退磁的釹磁鐵的轉子與加碳材料一起熔化。然後添加氧化鐵，將磁鐵中的稀土選擇性地轉化成Nd₂O₃等稀土氧化物。以Nd₂O₃的熔點2,270℃爲代表，稀土氧化物的熔點非常高，因此爲降低稀土氧化物的熔點，要添加Na₂B₄O₇助熔劑，形成Na₂B₄O₇-RE_xO_y（RE : Nd、Pr、Dy、Tb）熔渣。轉子與釹磁鐵的主要成分鐵會與加碳材料發生反應，變成熔融Fe-C合金。由於熔渣的密度比率熔融Fe-C合金小，在密度差的作用下會被分離到Fe-C合金的垂直度方向上部，因此可以從爐中回收熔融分離的Na₂B₄O₇-RE_xO_y熔渣。從轉子中分離出來的Fe-C合金中的稀土低於0.1mass％，能以97～98％的回收從磁鐵中回收稀土。Na₂B₄O₇-RE_xO_y熔渣透過實施目前的濕法處理，作爲高純度的稀土錯合氧化物回收。