Toyota desenvolve ímãs resistentes ao calor com baixo teor de neodímio

Os ímãs de neodímio são usados ​​para vários motores, como motores de alta potência, em veículos elétricos, que deverão se desenvolver rapidamente no futuro. A Toyota pretende reduzir a quantidade de neodímio (Nd, elemento de terras raras) desenvolvendo um novo ímã resistente ao calor com baixo teor de neodímio. (Comunicado de imprensa da Toyota em 20 de fevereiro). Presumivelmente, a Toyota está tentando contornar a dependência das terras raras chinesas por seus veículos elétricos.

Este estudo foi realizado como parte do projeto NEDO "Desenvolvimento da tecnologia de materiais magnéticos para motores altamente eficientes de carros de nova geração".

Antecedentes

Em carros híbridos e veículos elétricos, é importante desenvolver não apenas baterias, mas também motores de alto desempenho. Quanto maior a densidade do fluxo magnético do ímã, maior o desempenho do motor. E como a liga de neodímio com ferro e boro (Nd ₂ Fe ₁₄ B) fornece a mais alta densidade de fluxo magnético, atualmente é o principal ferro-ímã nos motores elétricos de veículos elétricos.


Modelo de um motor elétrico com um ímã de nióbio (esquerda).

Por outro lado, os ímãs de neodímio têm uma séria desvantagem: o campo magnético enfraquece com o aumento da temperatura ^* . Se terbium (Tb) ou disprósio (Dy) for adicionado ao neodímio, a diminuição do fluxo magnético poderá ser suprimida.


Um ímã de neodímio (à direita ) perde suas propriedades magnéticas com o aumento da temperatura.

Apesar do fato de que o ímã de neodímio com adição de térbio e disprósio não está sujeito a uma escassez, a dificuldade é que o disprósio e o térbio são terras raras e são relativamente caros (preço 1 kg ~ $ 561, disprósio 1 kg ~ $ 234 para dezembro de 2017) . O neodímio em si é barato (1 kg ~ US $ 47), mas existe o medo de que não seja suficiente à medida que a demanda aumenta. Além disso, o problema também reside no fato de uma grande parte das importações da China de nióbio e outros elementos de terras raras como um todo. Nesse sentido, é necessário desenvolver ímãs de alto desempenho, que utilizem o mínimo possível de elementos de térbio-disprósio-neodímio.


A direção do desenvolvimento de ímãs. Com a 4ª geração Prius e Prius segunda e terceira gerações (do comunicado de imprensa da Toyota)

Etapas da tecnologia

Etapa 1. Redução do tamanho dos grãos que compõem os ímãs
Foi possível aumentar a área da zona de fronteira entre os grãos ( grãos ~ cristais individuais de material magnético), reduzindo o tamanho dos grãos e suprimindo a diminuição do fluxo magnético, mesmo em altas temperaturas.


Diferença de tamanho de grão

Etapa 2. Obtenção de uma estrutura de duas camadas com alto grão
Em um ímã de neodímio comum, o neodímio é distribuído uniformemente dentro dos grãos de um ferro-ímã. Além disso, descobriu-se que a quantidade total de neodímio é mais do que o necessário para manter a coercividade ( resistência à desmagnetização ). Um aumento no conteúdo de neodímio na superfície do grão leva a um aumento na coercividade, o que também reduz a quantidade total de neodímio usado no novo ímã, sem perda de eficiência.

Etapa 3. A proporção específica dos componentes de lantânio e cério
Foi possível reduzir a concentração de neodímio com a ajuda de aditivos de lantânio e cério, mantendo a mesma eficiência dos ímãs convencionais. O lantânio e o cério custam menos de US $ 10 por 1 kg, o que é razoavelmente barato para terras raras. No entanto, com a atual diferença de preço, se o teor de neodímio diminuir em 10%, isso não levará a um ganho significativo. Portanto, provavelmente, uma nova tecnologia será necessária quando a demanda por neodímio se expandir e o preço subir.


Representação esquemática de grãos policristalinos (do comunicado de imprensa da Toyota)


Grãos SEM policristalinos (do comunicado de imprensa da Toyota)


Comparação de desempenho. Mesmo com uma redução de 20% no teor de neodímio, é alcançada a mesma eficiência dos ímãs convencionais em alta temperatura (a partir de um comunicado de imprensa da Toyota).