Toyota met au point un nouvel aimant pour moteurs électriques qui permet de réduire de près de 50 % l’utilisation de terres rares jugées critique

TORONTO (Ontario), le 23 février 2018 ― Toyota annonce la mise au point du premier aimant au monde thermorésistant à teneur réduite en néodyme*1. Les aimants au néodyme sont utilisés dans divers types de moteurs, comme les moteurs à haut rendement que l’on trouve dans les véhicules électrifiés, dont l’utilisation est appelée à croître rapidement au cours des prochaines années. Le nouvel aimant utilise une proportion nettement réduite de néodyme, une terre rare*2 capable de supporter des températures de service élevées.

En outre, cet aimant n’utilise ni terbium (Tb) ni dysprosium (Dy), d’autres terres rares qui entrent elles aussi dans la catégorie des matériaux jugés critiques*3 et qu’on trouve dans la composition des aimants au néodyme à haute résistance thermique. Pour réduire la teneur en néodyme, une partie a donc été remplacée par du lanthane (La) et du cérium (Ce), deux terres rares beaucoup moins dispendieuses.

Le néodyme joue un rôle important dans le maintien d’une forte coercivité (la capacité à maintenir l’aimantation) et de la résistance thermique. Une simple réduction de la teneur en néodyme et son remplacement par du lanthane et du cérium entraînent une baisse de rendement du moteur électrique. Pour remédier à ce problème, Toyota a adopté de nouvelles technologies qui éliminent la détérioration de la coercivité et de la thermorésistance, même lorsqu’on remplace le néodyme par du lanthane et du cérium. Toyota a aussi mis au point un aimant qui offre une résistance thermique équivalente à celle des aimants au néodyme antérieurs, tout en réduisant jusqu’à 50 % la proportion de néodyme utilisée.

Ce type d’aimant devrait faciliter l’utilisation des moteurs électriques dans divers domaines, dont l’automobile et la robotique, tout en assurant un équilibre entre l’offre et la demande des ressources précieuses que sont les terres rares. Toyota continuera de travailler à l’amélioration du rendement de cet aiment et évaluera son application dans des produits, tout en accélérant le développement de technologies de production de masse en vue de favoriser son adoption rapide dans les moteurs utilisés pour diverses applications, dont l’automobile et la robotique.

La mise au point de technologies élémentaires pour les moteurs, les onduleurs, les batteries et d’autres composants électriques nécessiteront des efforts constants de recherche et développement en prévision de l’avenir. Jugeant ces technologies indispensables aux véhicules électrifiés, Toyota continuera de progresser régulièrement dans chaque domaine, tout en jetant les fondations qui favoriseront l’utilisation accrue de véhicules électrifiés à l’avenir.

Contexte de la mise au point de l’aimant thermorésistant à teneur réduite en néodyme

Il est important que les aimants utilisés dans les moteurs électriques automobiles et d’autres applications possèdent une forte coercivité (c.-à-d. la capacité à maintenir l’aimantation) même à hautes températures. C’est la raison pour laquelle environ 30 % des éléments qui entrent dans la composition des aimants sont des terres rares.
Lorsque les puissants aimants au néodyme sont utilisés à hautes températures, notamment dans des applications automobiles, on y ajoute généralement du terbium et du dysprosium pour accroître leur coercivité. Cependant, le terbium et le dysprosium sont des métaux rares et chers qui proviennent de régions du monde à haut risque géopolitique. Pour cette raison, des efforts considérables ont été déployés pour mettre au point des aimants libres de ces métaux, et les résultats obtenus sont positifs.
Les volumes de production du néodyme sont relativement élevés par rapport aux autres terres rares, mais le risque de pénurie associé à la généralisation des véhicules électrifiés, dont les véhicules hybrides et électriques à batterie, est une préoccupation majeure à long terme. Malgré cela, très peu d’efforts ont été faits pour aborder l’utilisation du néodyme.
Pour résoudre ce problème, Toyota a mis au point avec succès de nouvelles technologies permettant non seulement d’éliminer le terbium et le dysprosium, mais aussi de réduire la proportion de néodyme qui entre dans la fabrication de ses aimants. Le remplacement du néodyme par le lanthane et le cérium, deux terres rares abondantes et bon marché, a permis de maintenir une résistance thermique élevée tout en atténuant la perte de coercivité.

Utilisation de terres rares dans les aimants au néodyme

2. Principales étapes de la mise au point de l’aimant thermorésistant à teneur réduite en néodyme

Le tout nouvel aimant thermorésistant à teneur réduite en néodyme est capable de maintenir une forte coercivité même à hautes températures grâce à la combinaison des trois nouvelles technologies suivantes :

l’affinement des grains de l’aimant;
une surface du grain à deux couches à haut rendement;
une proportion d’alliage spécifique de lanthane et de cérium.

L’affinement des grains de l’aimant

Il est désormais possible de maintenir une forte coercivité à hautes températures en réduisant la taille des grains de l’aimant à un dixième ou moins de la taille des grains que l’on trouve sur les aimants au néodyme conventionnels, et en agrandissant la zone composée des grains.

Une surface du grain à deux couches à haut rendement

Dans un aimant au néodyme conventionnel, le néodyme est réparti de manière homogène entre les grains de l’aimant. Dans bien des cas, la quantité de néodyme utilisée est plus que suffisante pour maintenir la coercivité. Il est donc possible d’utiliser le néodyme de manière plus efficace en augmentant sa concentration à la surface des grains de l’aimant, ce qui est nécessaire pour accroître la coercivité, et en diminuant sa concentration dans les noyaux des grains. Il en résulte une réduction de la proportion totale de néodyme utilisée dans le nouvel aimant.

 

Une proportion d’alliage spécifique de lanthane et de cérium

Lorsqu’on utilise le néodyme dans un simple alliage de lanthane et de cérium, ses propriétés (résistance thermique et coercivité) se détériorent considérablement, ce qui complique l’utilisation des terres rares légères. Après évaluation de divers alliages, Toyota a découvert la proportion spécifique à laquelle le lanthane et le cérium, deux terres rares abondantes et bon marché, peuvent être alliés sans provoquer de détérioration des propriétés.

Premier aimant au monde thermorésistant à teneur réduite en néodyme mis au point par l’intégration simultanée de ces trois technologies

[Image de microscope électronique et cartographie d'analyse de composition]

[Rendement sur le plan de la résistance thermique]