A hibrid elektromos technológia 20 évvel ezelőtti bemutatásával a jövő elektromos és hidrogén üzemanyagcellás autózásának alapjait megteremtő, és az ezeken a területeken folytatott fejlesztésekben ma is élenjáró Toyota akár 50 százalékkal kevesebb ritkaföldfém felhasználásával gyártható új mágnest fejlesztett ki elektromos motorokhoz. A Toyota vadonatúj fejlesztése, a világ első csökkentett neodímium tartalmú, hőálló mágnese fontos kérdést oldott meg, amely alapvető feltétele az elektromos járművek széles körű elterjedésének.
A környezetbarát hibrid elektromos (HEV), a hálózatról tölthető hibrid elektromos (PHEV) és a hidrogén üzemanyagcellás elektromos (FCEV) technológia mellett az akkumulátoros elektromos (BEV) autózást forradalmasító szilárdtest akkumulátorok fejlesztésében is élenjáró Toyota bejelentette, hogy kifejlesztette a világ első csökkentett neodímium tartalmú, hőálló mágnesét. A neodímium mágneseket sokféle motorban használják, például az elektromos járművek nagy teljesítményű erőforrásaiban, melyek alkalmazása várhatóan rohamosan terjed majd a jövőben. Az új mágneshez jelentősen kevesebb neodímium szükséges, ami egy magas hőmérsékletű környezetben is alkalmazható ritkaföldfém.* Az újonnan kifejlesztett mágnesben nem használnak terbiumot (Tb) vagy diszpróziumot (Dy), melyek olyan ritkaföldfémek, amiket az erősen hőálló neodímium mágnesek gyártásához szükséges kulcsfontosságú alapanyagnak** szokás tekinteni. A neodímium egy részét lantánnal (La) és cériummal (Ce) helyettesítették a mágnesben, melyek a drágább neodímiumot kiváltó, olcsó ritkaföldfémek.
A neodímium fontos szerepet játszik az erős mágnesesség és hőállóság fenntartásában. Ha pusztán csökkentenénk a neodímium arányát, és lantánnal, valamint cériummal helyettesítenénk, az a motor teljesítményének csökkenéséhez vezetne. Ezért a Toyota olyan új technológiákat alkalmaz, amelyek képesek meggátolni a mágnesesség és hőállóság gyengülését akkor is, ha a neodímiumot lantánnal és cériummal helyettesítik. A Toyota olyan új mágnest fejlesztett ki, melynek hőállósága azonos a korábbi neodímium mágnesekével, miközben akár 50 százalékkal kevesebb neodímiumot tartalmaz. Ez a fajta új mágnes várhatóan hasznosnak bizonyul majd a motorok új területeken – például autókban és a robotokban – történő szélesebb körű alkalmazásakor, emellett segít fenntartani az értékes ritkaföldfémek iránti kereslet és kínálat egyensúlyát. A Toyota tovább dolgozik a teljesítmény javításán és a termékekben történő alkalmazás értékelésén, miközben felgyorsítja a tömeggyártási technológiák fejlesztését, hogy a mágnesek minél hamarabb felhasználhatók legyenek a különféle célú motorokban, beleértve az autók és robotok motorjait is. A motorokban, inverterekben, akkumulátorokban és más egységekben alkalmazandó alapvető technológiák fejlesztéséhez a jövőbe tekintő, folyamatos kutató-fejlesztőmunka szükséges. A Toyota szerint e technológiák kulcsfontosságúak az elektromos járművek szempontjából, ezért a vállalat folyamatosan dolgozik minden egyes területen, hogy létrehozza azon alapokat, melyekre támaszkodva a jövőben egyre szélesebb körben terjedhetnek majd el az elektromos járművek.
Az Nd-csökkentett hőálló mágnes fejlesztéséről
Az autóiparban és más területeken alkalmazott mágneseknél fontos, hogy magas hőmérsékleten is megtartsák mágnesességüket. Ezért van az, hogy a mágnesek nagyjából 30 százalékos arányban tartalmaznak ritkaföldfémeket.
Ha az erős neodímium mágneseket magas hőmérsékleten használják – mint például az autóipari alkalmazások esetében – akkor általában terbiumot és diszpróziumot adnak hozzá a neodímiumhoz, hogy fokozzák a mágnesesség megtartásának képességét. Ugyanakkor a terbium és a diszprózium ritkán előforduló és drága fémek, melyeket magas geopolitikai kockázatú helyeken termelnek ki. Ezért történtek komoly erőfeszítések olyan mágnesek kifejlesztésére, melyekhez nem szükségesek ezek a fémek. Ezek az erőfeszítések pozitív eredményt hoztak.
A ritkaföldfémek közül a neodímiumot viszonylag nagy mennyiségben termelik ki, de vannak aggodalmak azzal kapcsolatban, hogy az elektromos járművek – köztük a hibrid és akkumulátoros modellek – fokozódó népszerűsége miatt hiány alakulhat ki. Mindezek ellenére nem sok erőfeszítés történt korábban a neodímium-felhasználás csökkentése érdekében.
A fenti problémák megoldása érdekében a Toyotának sikerült olyan technológiákat kifejlesztenie, melyek alkalmasak a terbium és diszprózium kiváltására, és a szükséges neodímium mennyiség csökkentésére. A neodímiumnak a bőségesen rendelkezésre álló és olcsó lantánal és cériumal történő helyettesítése révén megőrizhető a jó hőállóság, és minimalizálható a mágnesesség hőhatásra történő csökkenése.
Az Nd-csökkentett hőálló mágnes fejlesztésének legfontosabb elemei
Az újonnan kifejlesztett, Nd-csökkentett hőálló mágnes az alábbi három technológiának köszönhetően tudja még magas hőmérsékleten is megőrizni mágnesességét:
1. A mágnes szemcséinek finomsága
Az erős mágnesesség magas hőmérsékleten történő megőrzése a mágnes szemcseméretének a hagyományos neodímium mágnesekhez képest egytizedre való lecsökkentése, illetve a szemcsehatároló rész megnövelése révén lehetséges.
2. A szemcsék felületének kétrétegű kialakítása
A hagyományos neodímium mágneseknél a neodímium egyenletesen oszlik el a mágnes szemcséiben, és gyakran az erős mágnesesség megőrzéséhez szükségesnél nagyobb mennyiségben van jelen. Ezért lehetséges a neodímium hatékonyabb felhasználása úgy, ha az nagyobb koncentrációban van jelen a szemcsék felületén – ami a mágnesesség fokozásához kell – és kevesebb jut belőle a szemcsék magjába. Ennek köszönhetően csökken az új mágnesben felhasznált összes neodímium mennyisége.
3. A lantán és cérium különleges módon történő ötvözése
Ha a neodímiumot egyszerűen csak ötvözik a lantánnal és cériummal, akkor a megkívánt jellemzők (hőállóság és mágnesesség) jelentősen romlanak, ezzel pedig bonyolultabbá válik a ritkaföldfémek alkalmazása. Különféle ötvözetek jellemzőinek kiértékelését követően a Toyota megtalálta azt a pontos arányt, melynél a két bőségesen előforduló és olcsó ritkaföldfém, a lantán és a cérium anélkül ötvözhető, hogy megkívánt jellemzőik leromlanának.
A világelső Nd-csökkentett hőálló mágnes kifejlesztése mindhárom technológia egyidejű alkalmazásával történt. A kutatás-fejlesztési program az Új Energia és Ipari Technológiai Fejlesztési Szervezet (NEDO) a „Mágneses anyagok fejlesztése új generációs autókban alkalmazandó, magas hatásfokú motorokhoz” című tanulmánya keretében valósult meg.
Jövőbeni törekvések
Az újonnan kifejlesztett Nd-csökkentett hőálló mágnes nem csupán kiküszöböli a terbium és diszprózium felhasználását a jó hőállóságú neodímium mágnesekben, de a gyártáshoz felhasznált neodímium mennyiségét is csökkenti. Ezt az új mágnest várhatóan sokféle alkalmazásban hasznosítják majd a viszonylag nagy teljesítményű motoroknál, mint például az elektromos járművekben és generátorokban, szervokormányokban, robotokban, illetve különféle háztartási gépekben. Emellett hozzájárul majd a ritkaföldfémeknél esetlegesen bekövetkező ellátási nehézségek vagy áremelkedések elkerüléséhez.
A Toyota a jövőben is folytatja a fejlesztést további gyakorlati alkalmazások céljából, felméri a járművekben történő alkalmazás eredményeit, és tovább dolgozik az olcsó és stabil gyártást lehetővé tevő technológiák tökéletesítésén.
A Toyota várakozásai szerint ezeket a mágneseket a 2020-as évek első felétől alkalmazzák majd az autók elektromos szervokormányaiban, illetve más területeken is. A fentiek mellett a vállalat dolgozik azon, hogy tíz éven belül a mágnesek alkalmazhatók legyenek az elektromos járművek nagy teljesítményű elektromotorjaiban is.
*17 hasonló jellemzőkkel bíró elemből álló csoport. A lantán, cérium, neodímium, terbium, és diszprózium a ritkaföldfémek közé tartoznak. Ezeket az elemeket különféle funkcionális anyagok előállításához használják.
** Olyan fémek, melyeknek stabil kínálata politikailag fontosnak számít, bár azok viszonylag kis mennyiségekben fordulnak elő a földkéregben, vagy technológiai/gazdasági tényezők miatt nehéz a kitermelésük