Toyota entwickelt hitzebeständige Magnete mit niedrigem Neodymgehalt

Neodym-Magnete werden für verschiedene Motoren, wie z. B. Hochleistungsmotoren, in Elektrofahrzeugen verwendet, von denen erwartet wird, dass sie sich in Zukunft schnell entwickeln. Toyota beabsichtigt, die Menge an Neodym (Nd, Seltenerdelement) durch die Entwicklung eines neuen hitzebeständigen Magneten mit einem geringen Gehalt an Neodym zu reduzieren. (Pressemitteilung von Toyota vom 20. Februar). Vermutlich versucht Toyota damit, die Abhängigkeit seiner Elektrofahrzeuge von chinesischen Seltenen Erden zu umgehen.

Diese Studie wurde im Rahmen des NEDO-Projekts „Entwicklung der Technologie magnetischer Materialien für hocheffiziente Motoren von Autos der neuen Generation“ durchgeführt.

Hintergrund

Bei Hybridautos und Elektrofahrzeugen ist es wichtig, nicht nur Batterien, sondern auch Hochleistungsmotoren zu entwickeln. Je höher die magnetische Flussdichte des Magneten ist, desto höher ist die Motorleistung. Und da die Legierung von Neodym mit Eisen und Bor (Nd ₂ Fe ₁₄ B) die höchste magnetische Flussdichte liefert, ist sie derzeit der Hauptferromagnet in Elektromotoren von Elektrofahrzeugen.


Modell eines Elektromotors mit einem Niodiummagneten (links).

Andererseits haben Neodym-Magnete den schwerwiegenden Nachteil, dass das Magnetfeld mit zunehmender Temperatur ^* schwächer wird. Wenn dem Neodym Terbium (Tb) oder Dysprosium (Dy) zugesetzt wird, kann die Abnahme des Magnetflusses unterdrückt werden.


Ein Neodym-Magnet ( rechts ) verliert mit zunehmender Temperatur seine magnetischen Eigenschaften.

Trotz der Tatsache, dass der Neodym-Magnet mit Zusatz von Terbium und Dysprosium keinen Mangel aufweist, besteht die Schwierigkeit darin, dass Dysprosium und Terbium Seltene Erden sind und relativ teuer (Preis 1 kg ~ 561 USD, Dysprosium 1 kg ~ 234 USD für Dezember 2017). . Neodym selbst ist kostengünstig (1 kg ~ 47 USD), es besteht jedoch die Befürchtung, dass es bei steigender Nachfrage nicht ausreicht. Darüber hinaus liegt das Problem auch in der Tatsache, dass ein großer Teil der Importe von Niob und anderen Seltenerdelementen aus China insgesamt erfolgt. In diesem Zusammenhang ist es notwendig, Hochleistungsmagnete zu entwickeln, die so wenig Elemente wie möglich von Terbium-Dysprosium-Neodym verwenden.


Die Entwicklungsrichtung von Magneten. Mit Prius der 4. Generation und Prius der zweiten und dritten Generation (aus der Pressemitteilung von Toyota)

Technologiestufen

Stufe 1. Reduzieren der Größe der Körner, aus denen die Magnete bestehen
Es war möglich, die Fläche der Grenzzone zwischen den Körnern ( Körner - einzelne Kristalle aus magnetischem Material) zu vergrößern, die Korngröße zu verringern und so die Abnahme des Magnetflusses auch bei hohen Temperaturen zu unterdrücken.


Korngrößenunterschied

Stufe 2. Erhalten einer zweischichtigen Struktur mit hoher Körnung
In einem gewöhnlichen Neodym-Magneten ist Neodym gleichmäßig in den Körnern eines Ferromagneten verteilt. Darüber hinaus stellte sich heraus, dass die Gesamtmenge an Neodym mehr als notwendig ist, um die Koerzitivkraft ( Widerstand gegen Entmagnetisierung ) aufrechtzuerhalten. Eine Erhöhung des Neodymgehalts auf der Kornoberfläche führt zu einer Erhöhung der Koerzitivkraft, wodurch auch die Gesamtmenge an Neodym, die in dem neuen Magneten verwendet wird, ohne Effizienzverlust verringert wird.

Stufe 3. Das spezifische Verhältnis der Bestandteile von Lanthan und Cer
Es war möglich, die Konzentration von Neodym mit Hilfe von Additiven aus Lanthan und Cer zu reduzieren, während die gleiche Effizienz wie bei herkömmlichen Magneten beibehalten wurde. Lanthan und Cer kosten weniger als 10 USD pro 1 kg, was für Seltene Erden relativ günstig ist. Wenn der Neodymgehalt bei der aktuellen Preisdifferenz jedoch um 10% abnimmt, führt dies nicht zu einem signifikanten Gewinn. Daher wird höchstwahrscheinlich eine neue Technologie benötigt, wenn die Nachfrage nach Neodym zunimmt und der Preis steigt.


Schematische Darstellung von Polykristallkörnern (aus der Pressemitteilung von Toyota)


SEM-Polykristallkörner (aus der Pressemitteilung von Toyota)


Leistungsvergleich. Selbst bei einer Reduzierung des Neodymgehalts um 20% wird der gleiche Wirkungsgrad wie bei herkömmlichen Magneten bei hohen Temperaturen erreicht (aus einer Pressemitteilung von Toyota).