Toyota mengembangkan magnet tahan panas dengan kandungan neodymium yang rendah

Magnet Neodymium digunakan untuk berbagai mesin, seperti mesin daya tinggi, pada kendaraan listrik, yang diharapkan berkembang pesat di masa depan. Toyota bermaksud mengurangi jumlah neodymium (Nd, elemen rare earth) dengan mengembangkan magnet tahan panas baru dengan kandungan neodymium yang rendah. (Siaran pers Toyota 20 Februari). Agaknya Toyota berusaha untuk menghindari ketergantungan pada tanah jarang Cina untuk kendaraan listriknya.

Studi ini dilakukan sebagai bagian dari proyek NEDO "Pengembangan teknologi bahan magnetik untuk mesin mobil generasi baru yang sangat efisien".

Latar belakang

Dalam mobil hibrida dan kendaraan listrik, penting untuk mengembangkan tidak hanya baterai, tetapi juga motor berkinerja tinggi. Semakin tinggi kepadatan fluks magnet magnet, semakin tinggi kinerja mesin. Dan karena paduan neodymium dengan besi dan boron (Nd ₂ Fe ₁₄ B) memberikan kepadatan fluks magnetik tertinggi, saat ini merupakan feromagnet utama dalam motor listrik kendaraan listrik.


Model motor listrik dengan magnet niodium (kiri).

Di sisi lain, magnet neodymium memiliki kelemahan serius sehingga medan magnet melemah dengan meningkatnya suhu ^* . Jika terbium (Tb) atau dysprosium (Dy) ditambahkan ke neodymium, maka penurunan fluks magnetik dapat ditekan.


Sebuah magnet neodymium ( kanan ) kehilangan sifat magnetiknya dengan meningkatnya suhu.

Terlepas dari kenyataan bahwa magnet neodymium dengan penambahan terbium dan disprosium tidak mengalami kekurangan, kesulitannya adalah bahwa disprosium dan terbium adalah tanah jarang dan relatif mahal (harga 1 kg ~ $ 561, disprosium 1 kg ~ $ 234 untuk Desember 2017) . Neodymium itu sendiri tidak mahal (1 kg ~ $ 47), tetapi ada kekhawatiran bahwa itu tidak akan cukup ketika permintaan meningkat. Selain itu, masalahnya juga terletak pada kenyataan bahwa sebagian besar impor niobium dari Cina dan unsur-unsur tanah jarang lainnya secara keseluruhan. Dalam hal ini, perlu untuk mengembangkan magnet berkinerja tinggi, yang menggunakan sesemikit mungkin elemen terbium-dysprosium-neodymium.


Arah pengembangan magnet. Dengan Prius generasi ke-4 dan Prius, generasi kedua dan ketiga (dari siaran pers Toyota)

Tahapan Teknologi

Tahap 1. Mengurangi ukuran butir yang membentuk magnet
Itu mungkin untuk meningkatkan area zona batas antara butir ( butir ~ kristal individu dari bahan magnetik), mengurangi ukuran butir dan dengan demikian menekan penurunan fluks magnetik bahkan pada suhu tinggi.


Perbedaan ukuran butir

Tahap 2. Memperoleh struktur dua lapis dengan butiran tinggi
Dalam magnet neodymium biasa, neodymium didistribusikan secara merata dalam butiran feromagnet. Selain itu, ternyata jumlah total neodymium lebih dari yang diperlukan untuk mempertahankan koersivitas ( resistensi terhadap demagnetisasi ). Peningkatan kandungan neodymium pada permukaan butiran menyebabkan peningkatan koersivitas, yang juga mengurangi jumlah total neodymium yang digunakan dalam magnet baru, tanpa kehilangan efisiensi.

Tahap 3. Rasio spesifik dari komponen lantanum dan cerium
Itu mungkin untuk mengurangi konsentrasi neodymium dengan bantuan aditif lantanum dan serium, sambil mempertahankan efisiensi yang sama dengan magnet konvensional. Lantanum dan serium berharga kurang dari $ 10 per 1 kg, yang cukup murah untuk tanah jarang. Namun, dengan perbedaan harga saat ini, jika konten neodymium berkurang 10%, ini tidak akan menghasilkan keuntungan yang signifikan. Oleh karena itu, kemungkinan besar, teknologi baru akan diperlukan ketika permintaan untuk neodymium akan berkembang dan harganya akan naik.


Representasi skematis butir polikristal (dari siaran pers Toyota)


Butir polikristal SEM (dari siaran pers Toyota)


Perbandingan kinerja. Bahkan dengan pengurangan 20% dalam kandungan neodymium, efisiensi yang sama seperti magnet konvensional pada suhu tinggi tercapai (dari siaran pers Toyota).