Toyota desarrolla imanes resistentes al calor con bajo contenido de neodimio

Los imanes de neodimio se utilizan para varios motores, como motores de alta potencia, en vehículos eléctricos, que se espera que se desarrollen rápidamente en el futuro. Toyota tiene la intención de reducir la cantidad de neodimio (Nd, elemento de tierras raras) mediante el desarrollo de un nuevo imán resistente al calor con un bajo contenido de neodimio. (Comunicado de prensa de Toyota el 20 de febrero). Presumiblemente, Toyota está tratando de eludir la dependencia de las tierras raras chinas para sus vehículos eléctricos.

Este estudio se llevó a cabo como parte del proyecto NEDO "Desarrollo de la tecnología de materiales magnéticos para motores altamente eficientes de automóviles de nueva generación".

Antecedentes

En automóviles híbridos y vehículos eléctricos, es importante desarrollar no solo baterías, sino también motores de alto rendimiento. Cuanto mayor sea la densidad de flujo magnético del imán, mayor será el rendimiento del motor. Y dado que la aleación de neodimio con hierro y boro (Nd ₂ Fe ₁₄ B) proporciona la mayor densidad de flujo magnético, actualmente es el principal ferromagnet en motores eléctricos de vehículos eléctricos.


Modelo de un motor eléctrico con un imán de niodio (izquierda).

Por otro lado, los imanes de neodimio tienen un serio inconveniente de que el campo magnético se debilita con el aumento de la temperatura ^* . Si se agrega terbio (Tb) o disprosio (Dy) al neodimio, entonces se puede suprimir la disminución del flujo magnético.


Un imán de neodimio ( derecha ) pierde sus propiedades magnéticas al aumentar la temperatura.

A pesar de que el imán de neodimio con la adición de terbio y disprosio no está sujeto a una escasez, la dificultad es que el disprosio y el terbio son tierras raras y son relativamente caras (precio 1 kg ~ $ 561, disprosio 1 kg ~ $ 234 para diciembre de 2017) . El neodimio en sí es económico (1 kg ~ $ 47), pero existe el temor de que no sea suficiente a medida que aumenta la demanda. Además, el problema también radica en el hecho de que una gran parte de las importaciones procedentes de China de niobio y otros elementos de tierras raras en su conjunto. A este respecto, es necesario desarrollar imanes de alto rendimiento, que utilicen la menor cantidad posible de elementos de terbio-disprosio-neodimio.


La dirección del desarrollo de los imanes. Con Prius de cuarta generación y Prius de segunda y tercera generación (del comunicado de prensa de Toyota)

Etapas tecnológicas

Etapa 1. Reducción del tamaño de los granos que componen los imanes.
Fue posible aumentar el área de la zona límite entre los granos ( granos ~ cristales individuales de material magnético), reduciendo el tamaño del grano y suprimiendo así la disminución del flujo magnético incluso a altas temperaturas.


Diferencia de tamaño de grano

Etapa 2. Obtención de una estructura de dos capas con gran grano.
En un imán de neodimio ordinario, el neodimio se distribuye uniformemente dentro de los granos de un ferromagneto. Además, resultó que la cantidad total de neodimio es más de lo necesario para mantener la coercitividad ( resistencia a la desmagnetización ). Un aumento en el contenido de neodimio en la superficie del grano conduce a un aumento en la coercitividad, lo que también reduce la cantidad total de neodimio utilizado en el nuevo imán, sin pérdida de eficiencia.

Etapa 3. La relación específica de los componentes de lantano y cerio.
Fue posible reducir la concentración de neodimio con la ayuda de aditivos de lantano y cerio, manteniendo la misma eficiencia que los imanes convencionales. El lantano y el cerio cuestan menos de $ 10 por 1 kg, lo que es razonablemente económico para las tierras raras. Sin embargo, con la diferencia de precio actual, si el contenido de neodimio disminuye en un 10%, esto no conducirá a una ganancia significativa. Por lo tanto, lo más probable es que se necesite una nueva tecnología cuando la demanda de neodimio se expanda y el precio aumente.


Representación esquemática de granos policristalinos (del comunicado de prensa de Toyota)


Granos de policristal SEM (del comunicado de prensa de Toyota)


Comparación de rendimiento. Incluso con una reducción del 20% en el contenido de neodimio, se logra la misma eficiencia que los imanes convencionales a alta temperatura (de un comunicado de prensa de Toyota).