Institutionen för fysik och astronomi

Att hitta nya permamagneter med teori

Projekttitel: Att hitta nya permanentmagneter med teori
Huvudsökande: Olle Eriksson, avdelningen för materailteori

Projektbeskrivning

Permanentmagneter används vid konvertering mellan elektrisk och mekanisk energi i motorer och generatorer, och är enormt viktiga för gröna teknologier som ligger bakom t.ex. vind- och vågkraft samt för fordon som drivs med elektrisk energi. En bra permanentmagnet kräver en stark magnetisk anisotropi, hög mättnadsmagnetisering samt hög ordningstemperatur.  De permanentmagneter som används idag innehåller sällsynta jordartsmetaller, ofta Nd och Dy, eftersom dessa element bidrar till att en stor energitäthet kan erhållas, vilket är kritiskt för magnetens prestanda. Den vanligast förekommande permanentmagneten är den s.k. Nd-Fe-B  magneten (kemisk formel är Nd2Fe14B), som ofta är legerat med Dy. Eftersom prisbilden för sällsynta jordartsmetaller är mycket osäker, och gruvdriften av dessa material är miljömässigt skadlig, är det önskvärt att identifierar nya material som inte innehåller dessa element, men som kan uppnå liknande magnetiska egenskaper. Som exempel på den bekymmersamma prisbilden för  sällsynta jordartsmetaller, kan nämnas att mellan 2010 och 2012 steg priset på Nd- och Dy-oxid mer än tiofalt. Nästan all gruvdrift av de element som behövs för framställning av Nd-Fe-B baserade permanentmagneter sker i Kina. Prisbilden för dessa material har visat sig vara okontrollerbar, osäker och starkt fluktuerande i tid. Detta har lett till stora satsningar i Europa, USA och Japan för att hitta nya magneter som kan ersätta Nd-Fe-B magneterna. Fler av EU’s Horizon 2020 program är riktade mot dessa satsningar, där universitet, forskningscentra och företag har samlat ansträngningar för att identifiera nya magnetiska material med prestanda som gör dem till attraktiva alternativ till Nd-Fe-B magneter.

De utvecklade teknikerna inom detta projekt kan bäst beskrivas att vara av teoretisk natur, med syfte att identifiera nya material för tillämpningar inom energikonvertering mellan elektrisk och mekanisk energi. Våra teoretiska metoder har visat sig beskriva mättnadsmagnetisering och ordningstemperatur med ett fel som sällan överstiger 5 %, och dessa beräkningar kan göras med stor effektivitet. Den stora utmaningen med detta projek är att identifiera material med tillräckligt stor magnetisk anisotropi. Denna viktiga magnetiska storhet kräver mycket tidskrävande och noggranna beräkningar. En direkt tillämpning av våra teorier skulle under projektperioden endast kunna utföras för ett 20 tal föreningar. Vi har i detta projekt ambitionen att försöka sålla fram nya permanentmagneter ur mycket stora mängder möjliga material (tiotusentals) med ett tillvägagångssätt som ligger i linje med den s.k. Materials Genome approachen. I denna generella approach tänker man sig att detaljer i ett materials elektronstruktur kan liknas vid ett Genom i ett biologiskt system. Detta tänkesätt är i sig inte dåligt, eftersom all forskning visar att alla magnetiska egenskaper kan härledas tillbaka till elektronstrukturen (vi har nyligen publicerat en texbok i detta ämne, se O.Eriksson, A.Bergman, L.Bergqvist och J.Hellsvik, Atomistic spin-dynamcis, Foundations and Applications Oxford University Press, 2017). Utmaning för oss i detta projekt är att undersöka vilka delar i materialets Genom (elektronstruktur) som ’kodar’ för en stor magnetisk anisotropi. Vi har identifierat initiala screeningsparametrar, men i projektes gång kommer dessa ’kodande’ egenskaper med stor säkerhet att utvecklas, förbättras och förfinas. Generellt förväntar vi oss att kunna hitta nya teoretiska metoder som accelererar och förbättrar möjligheterna att identifiera nya permanentmagneter som inte innehåller sällsynta jordartsmetaller. Dessa metoder är beskrivna i detalj i den engelska projektbeskrivningen, och repeteras därför inte här.

Projektmål

  • Förbättra magnetiska egenskaper hos kända magneter som Fe3Sn och Mn-baserade föreningar, t.ex. MnAl och MnBi, genom legering, för att möta de behov som ställs på nya effektiva permanentmagneter, där avsaknad av sällsynta jordartsmetaller är ett krav.

  • Reducera mängden av kritiska element i kända permanentmagneter som SmCo5, till exempel genom Y legering på Sm atomens plats, och Fe/Ni substitution på Co atomens plats. 

  • Utveckla koncept för hur de magnetiska egenskaperna hos kända permanentmagneter, som inte innehåller sällsynta jordartsmetaller, kan förbättras.

  • Generera en databas med relativistiska spinnpolariserade elektronstrukturer, magnetiska moment och interatomära (Heisenberg) utbytesväxelverkansparametrar.

  • Utveckla filtreringsparametrar för att gå igenom en stor mängd föreningar som kan vara möjliga som nya permanentmagneter, med syfte att identifiera en preliminär lista som innehåller ett första förslag på material med bra prestanda.

  • Identifiera från denna lista av första förslag av material, ett mindre antal föreningar som har de mest lovande egenskaperna som permanentmagneter. Detta steg involverar relativistiska elektronstrukturberäkningar av den magnetisk anisotropin samt statistiska metoder för att beräkna ordningstemperaturen.

  • Uppehålla en god kontakt med experimentella kollegor i forskningsfältet, samt företag i branschen (t.ex. Höganäs).

Projektmålens relevans för ett helt förnybart energisystem, ett resurseffektivt samhälle och/eller ett flexibelt och robust energisystem
Det projekt vi här föreslår är att med snabba och effektiva teoretiska metoder identifiera möjliga ersättningsmatetrial till existerande permanentmagneter. Den teoretiska metodologin bygger på täthetsfunktionalteori, där vi har mer än tre decenniers erfarenhet, bl.a. för beräkningar av de magnetiska egenskaper som bestämmer en permanentmagnets prestanda. Den i särklass svåraste egenskapen att bestämma med dessa metoder är den magnetiska anisotropin. Trots att den är av central betydelse för en permanentmagnets egenskaper, är den mycket liten jämfört med andra energier som karakteriserar ett material, t.ex. bindningsenergin.  Detta utgör en stor utmaning för den teoretiska beskrivningen, men trots detta har vi etablerat metoder som har god noggrannhet (till exempel beskrivna i K.Lejaeghere  et al., Science 351, aad3000 (2016)) och vi har till och med lyckats förutspå material med stor magnetisk anisotropi (T.Burkert et al., Giant Magnetic Crystalline Anisotropy of Fe-Co Alloys, Phys. Rev. Lett. 93, 27203 (2004)). Energirelevansen för detta projekt, är att identifiera ett tiotal nya föreningar med magnetisk prestanda som gör dom lovande för ’gröna’ tillämpningar, vad gäller konvertering mellan elektrisk och mekanisk energi. Vi kommer även att kommunicera erhållna resultat med experimentella partners vid Ångström laboratoriet, och på den internationella arenan, samt med industriella partners vid t.ex. Höganäs. Detta skulle minska vårt beroende av sällsynta jordartsmetaller, där gruvdriften har stora miljömässiga problem och där, som påpekats ovan, prisbilden är mycket osäker. För att sätta denna frågeställning i miljömässig proportion kan nämnas att det krävs ~275 ton Nd-Fe-B för att med miljövänlig teknologi ersätta att medelstort kolkraftverk (500 MW). 

Förutsättningar för att projektets resultat (på sikt) ska implementeras i energisystemet
Vi har god erfarenhet att med hjälp av de teoretiska metoder som beskrivs i denna ansökan, kunna förutspå material med skräddarsydda egenskaper, och experiment har i flertalet fall verifierat våra teorier. Till exempel kan nämnas att vi nyligen förutspådde flertalet nya två-dimensionella material  (se S.Lebeque, et al. Phys. Rev. X 3, 031002 (2013)). Bland de material som vi förutspådde skulle kunna stabiliseras i två-dimensionell form (på samma sätt som grafen) fanns Cu2S. Detta material har sedermera verifierats experimentellt att existera just i en två-dimensionell form (se F.B.Romdhane, O.Cretu et al. In-situ growth of quasi-two-dimensional Cu2S crystals on graphene in an electron microscopy experiment, Small 11, 1253 (2015), vilket påvisar att vår approach fungerar. Vi har även tidigare förutspått nya legeringar med stark magnetisk anisotropi, något som är mycket relevant för det här föreslagna projektet (se T.Burkert et al., Phys. Rev. Lett. 93, 27203 (2004)). Även dessa förutspåelser har verifierats experimentellt (se G.Andersson, et al., Perpendicular magneto crystalline anisotropy in tetragonally distorted Fe-Co alloys, Phys. Rev. Lett. 96, 037205 (2006)), vilket ger oss stort förtroende för att de nya permanentmagnet som vi ämnar identifiera i detta projekt, kommer i experimentella studier, med stor sannolikhet, visa sig vara utmärkta ersättningsmaterial till nuvarande Nd-Fe-B magneter. Vi har sålunda stor tilltro till att vår metodologi kommer att generera flertalet material med stor potential till att vara realistiska ersättningsmagneter till Nd-Fe-B, speciellt om man beaktar pris-prestanda. Vi har vidare mycket gott samarbete med experimentella grupper som syntetiserar och karakteriserar magnetiska material, både inom Ångström laboratoriet (Prof. Sahlberg-Kemi, Prof. Svedlindh-Teknik, Prof. Karis-Fysik och Prof. Andersson-Fysik) samt på en internationell arena (Dr. Lashley-Los Alamos, Prof.Gutfleish-Darmstadt, samt företag som Höganäs och Vacuumschmelze (Hanau, Tyskland). Vi kommer att ha en intensiv växelverkan med alla dessa aktörer för att verifiera våra teoretiska resultat och för att förfina de materialegenskaper vi planerar förutspå. Vi har stora förhoppningar att inom projekttiden hitta flera ersättningsmatetrial till existerande Nd-Fe-B magneterna, så att miljömässigt skonsamma tekniker att konvertera mekanisk och elektrisk energi kan blomma ut, utan att vara beroende av de problem som de sällsynta jordartsmetallerna utgör.