Toyota Motor Corporation heeft ‘s werelds eerste neodymium-gereduceerde, hittebestendige magneet ontwikkeld. Neodymium (Nd) -magneten worden gebruikt in verschillende soorten motoren, zoals de motoren met een hoge output die worden aangetroffen in elektrische voertuigen. De nieuwe magneet gebruikt aanzienlijk minder neodymium, een zeldzame aardmetaal, en kan worden gebruikt bij hoge temperaturen.
De nieuw ontwikkelde magneet gebruikt geen terbium (Tb) of dysprosium (Dy) – zeldzame aardmetalen die ook zijn gecategoriseerd zijn als kritieke materialen die nodig zijn voor hittebestendige neodymiummagneten. Een deel van het neodymium is vervangen door lanthaan (La) en cerium (Ce), welke goedkopere delfstoffen zijn, waardoor de hoeveelheid neodymium in de magneet wordt verminderd.
Neodymium speelt een belangrijke rol bij het handhaven van hoge coërcitiviteit (het vermogen om magnetisatie te handhaven) en hittebestendigheid. Alleen al het verminderen van de hoeveelheid neodymium en het vervangen ervan door lanthaan en cerium resulteert in een afname van de motorprestaties.
Daarom heeft Toyota nieuwe technologieën toegepast die de verslechtering van coërciviteit en hittebestendigheid onderdrukken, zelfs wanneer neodymium wordt vervangen door lanthaan en cerium, en een magneet ontwikkelt die vergelijkbare niveaus van hittebestendigheid heeft als eerdere neodymiummagneten, terwijl de hoeveelheid neodymium tot wel 50% af neemt.
Hittebestendigheidgrafiek (bron: Toyota)
De nieuw ontwikkelde Nd-gereduceerde, hittebestendige magneet kan zelfs bij hoge temperaturen coërciviteit behouden dankzij de combinatie van de volgende drie nieuwe technologieën:
- Korrelverfijning van de magneet. Het is nu mogelijk om hoge coërcitiviteit bij hoge temperaturen te behouden door de grootte van de magneetkorrels te verminderen tot een tiende of minder van die gevonden in conventionele neodymiummagneten en de vergroting van het korrelgrensgebied.
Korreldichtheid nieuwe magneten (bron: Toyota)
- Tweelaags high-performance korreloppervlak. In een conventionele neodymiummagneet wordt neodymium gelijkmatig verdeeld binnen de korrels van de magneet en in veel gevallen is het gebruikte neodymium meer dan de benodigde hoeveelheid om de coërcitief te houden. Het is dus mogelijk om efficiënt neodymium te gebruiken door de neodymiumconcentratie op het oppervlak van de magneetkorrels te verhogen, hetgeen noodzakelijk is om de coërcitiefit te verhogen en de concentratie in de kern van de korrels te verminderen. Dit resulteert in de vermindering van de totale hoeveelheid neodymium die wordt gebruikt in de nieuwe magneet.
Bron: Toyota
- Specifieke verhouding van lanthaan en cerium. Als neodymium eenvoudig wordt gelegeerd met lanthaan en cerium, nemen de prestatie-eigenschappen (hittebestendigheid en coërciviteit) aanzienlijk af, wat het gebruik van zeldzame zeldzame aarden bemoeilijkt. Als resultaat van de evaluatie van verschillende legeringen, ontdekte Toyota een specifieke verhouding waarbij lanthaan en cerium, zowel overvloedige als goedkope zeldzame aarden, kunnen worden gelegeerd zodat de verslechtering van eigenschappen wordt onderdrukt.
Bron: Toyota
Toyota verwacht dat dit nieuwe type magneet nuttig zal zijn bij het uitbreiden van het gebruik van motoren in verschillende gebieden, zoals auto’s en robotica, evenals het handhaven van een balans tussen het aanbod en de vraag van waardevolle bronnen van schaarse delfstoffen. Toyota zal zich inspannen om de prestaties verder te verbeteren en de toepassing in producten te evalueren, terwijl tegelijkertijd de ontwikkeling van massaproductietechnologieën wordt versneld. Met het doel een vroege acceptatie te bereiken in motoren die worden gebruikt voor verschillende toepassingen, waaronder in auto’s en robotica.
Magneten die worden gebruikt in automobielmotoren en andere toepassingen hebben een hoge coërcitiviteit (het vermogen om magnetisatie te handhaven), zelfs bij hoge temperaturen. Om deze reden is ongeveer 30% van de elementen die in magneten worden gebruikt zeldzame aardmetalen.
Wanneer krachtige neodymiummagneten worden gebruikt bij hoge temperaturen, bijvoorbeeld voor automobieltoepassingen, worden terbium en dysprosium in het algemeen toegevoegd om de coërcitiviteit bij hoge temperatuur te verhogen. Terbium en dysprosium zijn echter zeldzaam en dure metalen worden aangetroffen op locaties met hoge geopolitieke risico’s. Om deze reden zijn aanzienlijke inspanningen geleverd om magneten te ontwikkelen die deze metalen niet gebruiken.
Productievolumes van neodymium zijn relatief hoog onder zeldzame aardmetalen, maar er zijn zorgen dat tekorten zich zullen ontwikkelen als geëlektrificeerde voertuigen, inclusief hybride en batterij elektrische voertuigen, in de toekomst steeds populairder worden. De Japanse autofabrikant verwacht dat de vraag naar bijvoorbeeld neodymium vanaf 2025 groter zal zijn dan het aanbod. Ook zegt het bedrijf de grondstoffen terbium en dysprosium niet nodig te hebben. In plaats daarvan gebruikt de fabrikant lanthaan en cerium, dat 20 procent goedkoper is.
bron: Toyota
China is wereldwijd één van de belangrijkste producenten van het zeldzame metaal neodymium, dat behalve voor elektrische auto’s ook voor bijvoorbeeld windturbines wordt gebruikt. Toyota verwacht in 2030 meer dan 5,5 miljoen EV’s te verkopen en investeert miljarden in de ontwikkeling hiervan.
