Toyota opracowała pierwszy w świecie, odporny na wysoką temperaturę magnes o obniżonej zawartości neodymu. Magnesy neodymowe stosowane są w silnikach elektrycznych, w tym w silnikach dużej mocy używanych w pojazdach elektrycznych, hybrydowych i zasilanych wodorowymi ogniwami paliwowymi, których wykorzystanie szybko rośnie. Nowy magnes zawiera znacznie mniej neodymu, metalu ziem rzadkich, który zastąpiono lantanem i cerem. Technologia Toyoty pozwala również całkowicie zrezygnować w produkcji magnesów z lantanowców ciężkich – dysprozu i terbu.

Neodym ma istotne znaczenie dla zapewnienia dużej koercji (zdolności utrzymywania namagnesowania) oraz odporności na wysokie temperatury. Dotychczasowe eksperymenty ze zmniejszeniem zawartości neodymu i zastąpienie go lantanem i cerem prowadziły do pogorszenia parametrów silnika elektrycznego. W związku z tym Toyota zastosowała nowe rozwiązania, które zapobiegają zmniejszeniu koercji i zapewniają odporność na wysokie temperatury przy redukcji ilości neodymu. Tak powstał magnes o odporności na ciepło takiej samej, jak w przypadku konwencjonalnych magnesów neodymowych, przy zawartości neodymu mniejszej nawet o 50 procent.

Nowy magnes Toyoty nie wykorzystuje także terbu (Tb) ani dysprozu (Dy), które są również metalami ziem rzadkich, zaliczanymi do surowców trudno dostępnych, o dużym znaczeniu do gospodarki, a które są używane w innych magnesach odpornych na wysoką temperaturę. Część neodymu zastąpiono lantanem (La) i cerem (Ce), które są tańszymi metalami ziem rzadkich, zmniejszając w ten sposób zapotrzebowanie na neodym przy produkcji silników elektrycznych.

Oczekuje się, że nowy rodzaj magnesu przyczyni się do szerszego wykorzystania silników elektrycznych w różnych zastosowaniach, takich jak motoryzacja i robotyka, a także pomoże zachować równowagę między podażą i popytem na rynku cennych metali ziem rzadkich.

Dlaczego to jest ważne?

Magnesy trwałe stosowane w silnikach elektrycznych wykorzystywanych w pojazdach powinny odznaczać się dużą koercją (zdolnością zachowania namagnesowania) nawet w wysokich temperaturach. Dlatego około 30 procent ich składu stanowią metale ziem rzadkich.

Gdy silne magnesy neodymowe mają pracować w wysokiej temperaturze, co ma miejsce w przypadku silników dla pojazdów, skład magnesów wzbogaca się o terb i dysproz, co poprawia koercję w wysokich temperaturach. Jednak te dwa pierwiastki są trudno dostępne i drogie, dlatego rozpoczęto intensywne badania nad stworzeniem magnesów niewykorzystujących tych metali, które właśnie zakończyły się sukcesem.

Światowa produkcja neodymu jest stosunkowo duża w stosunku do innych metali ziem rzadkich, jednak istnieją obawy, że wzrost popytu na pojazdy elektryczne i hybrydowe może doprowadzić do niedoborów i wzrostu cen tego surowca. Co więcej, aż 80 procent światowej produkcji kontroluje jeden kraj – Chiny, dlatego trudno się dziwić, że firmy technologiczne z innych krajów szukają sposobów na uniezależnienie się od tego potężnego dostawcy. Zastąpienie części neodymu lantanem i cerem, które są stosunkowo łatwo dostępnymi i niedrogimi metalami ziem rzadkich, pozwoli rozwiązać ten problem.

Jak to jest zrobione?

Nowe wysokotemperaturowe magnesy o obniżonej zawartości neodymu zachowują koercję w wysokich temperaturach dzięki połączeniu trzech technologii – zmniejszeniu wielkości ziaren magnesu, dwuwarstwowej strukturze ziaren i odpowiednio dobranej ilości lantanu i ceru.

Naukowcy Toyoty zmniejszyli wielkość ziaren magnesu do jednej dziesiątej wielkości znanej z konwencjonalnych magnesów neodymowych. Jednocześnie zwiększyli obszar brzegowy ziaren.

Dwuwarstwowa struktura ziaren umożliwia lepsze wykorzystanie neodymu. Inżynierowie zwiększyli jego koncentrację na powierzchni ziaren magnesu, co pozwoliło zwiększyć koercję i ograniczyć jego koncentrację wewnątrz ziaren. Efektem jest zmniejszenie całkowitej ilości neodymu użytego w nowym magnesie. Dla porównania, w konwencjonalnych magnesach neodymowych ziarna mają strukturę jednorodną pod względem ilości neodymu i w wielu przypadkach jest go nawet więcej, niż potrzeba dla zachowania koercji.

Domieszki lantanu i ceru nie zawsze poprawiały własności magnesów neodymowych, często powodując wręcz ich drastyczne pogorszenie. Po przebadaniu wielu różnych stopów, badaczom Toyoty udało się dobrać odpowiednie proporcje, przy których dodanie lantanu i ceru zminimalizowało spadek koercji w wysokich temperaturach.

Co dalej?

Zdaniem Toyoty nowy magnes znajdzie wiele zastosowań w maszynach elektrycznych o stosunkowo dużej mocy, takich jak silniki i generatory dla pojazdów elektrycznych i hybrydowych, elektryczne układy wspomagania kierownicy, roboty i rozmaite urządzenia domowe. Nowe magnesy przyczynią się również do zwiększenia stabilności podaży i popytu metali ziem rzadkich i zmniejszenia ryzyka wzrostu ich cen. W dalszych krokach Toyota będzie kontynuować prace badawczo-rozwojowe z myślą o praktycznym wykorzystaniu nowego odkrycia, dokonywać oceny możliwości zastosowania w pojazdach oraz rozwijać technologie, które pozwolą rozpocząć tanią i stabilną produkcję masową.

Toyota spodziewa się, że w pierwszej połowie przyszłej dekady nowe magnesy trafią do silników elektrycznych układów wspomagania kierownicy oraz do innych zastosowań, zaś w elektrycznych silnikach napędowych znajdą zastosowanie w ciągu kolejnych 10 lat.