2018. március 01.

A Toyota hozhatja el az e-forradalmat

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 társaság 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.

Az autógyártó 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

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.