Toyota développe des aimants résistants à la chaleur à faible teneur en néodyme

Les aimants au néodyme sont utilisés pour divers moteurs, tels que les moteurs à haute puissance, dans les véhicules électriques, qui devraient se développer rapidement à l'avenir. Toyota entend réduire la quantité de néodyme (Nd, élément des terres rares) en développant un nouvel aimant résistant à la chaleur avec une faible teneur en néodyme. (Communiqué de presse Toyota, 20 février). Vraisemblablement, Toyota essaie ainsi de contourner la dépendance des terres rares chinoises pour ses véhicules électriques.

Cette étude a été réalisée dans le cadre du projet NEDO «Développement de la technologie des matériaux magnétiques pour les moteurs très performants des voitures de nouvelle génération».

Contexte

Dans les voitures hybrides et les véhicules électriques, il est important de développer non seulement des batteries, mais aussi des moteurs performants. Plus la densité de flux magnétique de l'aimant est élevée, plus les performances du moteur sont élevées. Et puisque l'alliage de néodyme avec du fer et du bore (Nd ₂ Fe ₁₄ B) fournit la densité de flux magnétique la plus élevée, il est actuellement le principal ferromagnétique des moteurs électriques des véhicules électriques.


Modèle d'un moteur électrique avec un aimant au niodium (à gauche).

En revanche, les aimants en néodyme présentent un sérieux inconvénient: le champ magnétique s'affaiblit avec l'augmentation de la température ^* . Si du terbium (Tb) ou du dysprosium (Dy) est ajouté au néodyme, la diminution du flux magnétique peut être supprimée.


Un aimant en néodyme (à droite ) perd ses propriétés magnétiques avec l'augmentation de la température.

Malgré le fait que l'aimant au néodyme avec l'ajout de terbium et de dysprosium ne soit pas soumis à une pénurie, la difficulté est que le dysprosium et le terbium sont des terres rares et sont relativement chers (prix 1 kg ~ 561 $, dysprosium 1 kg ~ 234 $ pour décembre 2017) . Le néodyme lui-même est peu coûteux (1 kg ~ 47 $), mais on craint qu'il ne suffise pas à mesure que la demande augmente. En outre, le problème réside également dans le fait qu’une grande partie des importations en provenance de Chine de niobium et d’autres éléments des terres rares dans leur ensemble. A cet égard, il est nécessaire de développer des aimants performants, qui utilisent le moins d'éléments de terbium-dysprosium-néodyme possible.


La direction du développement des aimants. Avec Prius de 4e génération et Prius de deuxième et troisième générations (d'après le communiqué de presse Toyota)

Étapes technologiques

Étape 1. Réduire la taille des grains qui composent les aimants
Il a été possible d'augmenter l'aire de la zone limite entre les grains ( grains ~ cristaux individuels de matériau magnétique), réduisant la taille des grains et supprimant ainsi la diminution du flux magnétique même à haute température.


Différence de taille de grain

Étape 2. Obtention d'une structure à deux couches à grain élevé
Dans un aimant néodyme ordinaire, le néodyme est réparti uniformément dans les grains d'un ferromagnet. De plus, il s'est avéré que la quantité totale de néodyme est plus que nécessaire pour maintenir la coercivité ( résistance à la démagnétisation ). Une augmentation de la teneur en néodyme à la surface des grains entraîne une augmentation de la coercivité, ce qui réduit également la quantité totale de néodyme utilisée dans le nouvel aimant, sans perte d'efficacité.

Étape 3. Le rapport spécifique des composants du lanthane et du cérium
Il a été possible de réduire la concentration de néodyme à l'aide d'additifs de lanthane et de cérium, tout en conservant la même efficacité que les aimants conventionnels. Le lanthane et le cérium coûtent moins de 10 $ par 1 kg, ce qui est relativement peu coûteux pour les terres rares. Cependant, avec la différence de prix actuelle, si la teneur en néodyme diminue de 10%, cela n'entraînera pas de gain significatif. Par conséquent, très probablement, une nouvelle technologie sera nécessaire lorsque la demande de néodyme augmentera et que le prix augmentera.


Représentation schématique des grains polycristallins (d'après le communiqué de presse de Toyota)


Grains polycristallins SEM (d'après le communiqué de presse de Toyota)


Comparaison des performances. Même avec une réduction de 20% de la teneur en néodyme, la même efficacité que les aimants conventionnels à haute température est obtenue (à partir d'un communiqué de presse Toyota).