TOYOTA REDUCIRÁ EL USO DE TIERRAS RARAS CRÍTICAS UN 50% GRACIAS A UN NUEVO IMÁN PARA MOTORES ELÉCTRICOS

Desarrollado por Toyota, es el primer imán del mundo termorresistente y con menor uso de neodimio, metal sólido de las tierras raras.

Será un elemento clave para la popularización y democratización de los vehículos electrificados, segmento del mercado en el que Toyota venderá más de 5,5 millones de vehículos en 2030 —un millón de ellos cero emisiones—.

Toyota Motor Corporation (TMC) ha desarrollado el primer imán del mundo1 termorresistente y con menos neodimio, metal sólido de las tierras raras. Los imanes de neodimio se utilizan en varios tipos de motores eléctricos, como los de gran potencia instalados en los vehículos electrificados, cuyo uso se espera que aumente rápidamente en el futuro. El nuevo imán utiliza considerablemente menos neodimio, una tierra rara2, y se puede utilizar en condiciones de alta temperatura.

Este imán, de nuevo desarrollo, no utiliza terbio (Tb) ni disprosio (Dy), que son tierras raras también categorizadas como materiales críticos3 necesarios para los imanes termorresistentes de neodimio. Una parte del neodimio ha sido sustituida por lantano (La) y cerio (Ce), que son tierras raras de menor coste, con lo que disminuye la cantidad de neodimio empleada en el imán para la fabricación de motores eléctricos.

El neodimio desempeña un papel importante en el mantenimiento de una coercitividad —capacidad de mantener la magnetización— y la resistencia térmica. La mera reducción de la cantidad de neodimio y su sustitución por lantano y cerio daría lugar a un peor rendimiento del motor. Así, Toyota ha adoptado unas nuevas tecnologías que suprimen el deterioro de la coercitividad y la resistencia térmica, incluso cuando se sustituye el neodimio por lantano y cerio, y ha desarrollado un imán con niveles de resistencia térmica equivalentes a los imanes de neodimio anteriores, reduciendo la cantidad de neodimio utilizada en hasta un 50%.

Se espera que este nuevo tipo de imán sirva para ampliar el uso de motores eléctricos en diversos ámbitos, como la automoción y la robótica, además de mantener un equilibrio entre la oferta y la demanda de tierras raras de gran valor. Toyota seguirá trabajando para mejorar el rendimiento de estos imanes y evaluar su aplicación en nuevos productos, al tiempo que impulsa el desarrollo de tecnologías de producción en serie, con el objetivo de alcanzar su pronta adopción en motores eléctricos empleados para aplicaciones en varios ámbitos.

La creación de tecnologías básicas para motores eléctricos, inversores, baterías y otros componentes, requerirá de un esfuerzo continuo de investigación y desarrollo de cara al futuro. Toyota considera que esas tecnologías son esenciales para los vehículos electrificados y seguirá avanzando sin pausa en todos los ámbitos, mientras trabaja para sentar las bases necesarias para la generalización de los vehículos electrificados en el futuro.

Antecedentes del desarrollo de imanes termorresistentes con menos neodimio

- Es importante que los imanes empleados en los motores eléctricos para automoción y otras aplicaciones tengan una elevada coercitividad, incluso a altas temperaturas. Por ese motivo, alrededor del 30% de los elementos utilizados en los imanes son tierras raras.

- Si se utilizan imanes de neodimio potentes a altas temperaturas, por ejemplo para las aplicaciones de automoción, se suele añadir terbio y disprosio para aumentar la coercitividad a alta temperatura. No obstante, el terbio y el disprosio son metales raros y costosos, que se encuentran en zonas con altos riesgos geopolíticos asociados. Por ello, se han dedicado esfuerzos considerables al desarrollo de imanes que no hagan uso de esos metales y se han obtenido resultados positivos.

- Los volúmenes de producción de neodimio son relativamente elevados entre las tierras raras, pero preocupa el hecho de que pueda haber escasez a medida que los vehículos electrificados, incluidos los híbridos y los eléctricos con batería, se vayan popularizando en el futuro. A pesar de ello, no se han hecho muchos esfuerzos para regular el uso de neodimio.

- Para superar esos problemas, Toyota se embarcó en el desarrollo de tecnologías que pudieran suprimir el uso de terbio y disprosio y reducir la cantidad de neodimio empleado, y se ha obtenido buenos resultados. Sustituyendo el neodimio por lantano y cerio, que son tierras raras abundantes y de menor coste, se puede mantener una alta resistencia térmica y se reducirá al mínimo la pérdida de coercitividad.

Puntos clave del desarrollo de imanes termorresistentes con menos neodimio

- El imán termorresistente con menor Nd de nuevo desarrollo puede mantener la coercitividad incluso a altas temperaturas, gracias a la combinación de tres nuevas tecnologías:

1. Refinamiento granular del imán

Ahora es posible conservar una alta coercitividad a altas temperaturas gracias a la reducción del tamaño del grano de los imanes a una décima parte o menos de lo habitual en imanes de neodimio convencionales y a la ampliación del área de contorno del grano.

2. Superficie granulada de dos capas de alto rendimiento

En un imán de neodimio convencional, el neodimio se reparte de manera uniforme entre los granos del imán y, en muchos casos, el neodimio empleado es superior al necesario para mantener la coercitividad. Así, es posible utilizar con eficiencia el neodimio incrementando su concentración en la superficie de los granos del imán, lo que es necesario para incrementar la coercitividad y reducir la concentración en el núcleo del grano. El resultado es la reducción de la cantidad total de neodimio utilizado en el nuevo imán.

3. Proporción concreta de lantano y cerio

Si simplemente se alea el neodimio con lantano y cerio, sus propiedades —resistencia térmica y coercitividad— se reducen sustancialmente, lo que complica el uso de tierras raras ligeras. Como consecuencia de la evaluación de varias aleaciones, Toyota descubrió una proporción concreta en que se puede alear el lantano y el cerio, dos tierras raras de bajo coste, para evitar el deterioro de las propiedades.

Futuras iniciativas

- El nuevo imán termorresistente con menor uso de Nd desarrollado en estos momentos no solo elimina el uso de terbio y disprosio, tierras raras necesarias para que los imanes de neodimio adquieran una alta resistencia térmica, sino que también reduce la cantidad de neodimio utilizada. Se espera que este nuevo imán tenga un amplio abanico de aplicaciones en motores eléctricos que requieran una potencia relativamente elevada, como los necesarios para vehículos electrificados y generadores, dirección asistida eléctrica, robots y varios electrodomésticos. Así mismo, contribuirá a la reducción del riesgo de disrupción de la oferta y la demanda de tierras raras y de incrementos de precio.

- De cara al futuro, Toyota seguirá trabajando pensando en los usos prácticos, realizará evaluaciones de aplicación en automóviles y seguirá investigando y desarrollando tecnologías con el objetivo de alcanzar una producción estable de bajo coste.

- Toyota espera que los imanes se incorporen en motores de sistemas de dirección asistida eléctrica para automóviles y otras aplicaciones durante la primera mitad de la década de 2020. Por otra parte, la compañía impulsará el desarrollo con la vista puesta en la aplicación práctica en motores de alto rendimiento de vehículos electrificados durante los 10 próximos años.

1 En enero de 2018 (Toyota Motor Corporation).

2 Grupo de 17 elementos que presentan propiedades similares. Figuran entre las tierras raras el lantano, el cerio, el neodimio, el terbio y el disprosio. Es posible que varios materiales funcionales hagan uso de estos elementos.

3 Metales cuya oferta estable reviste importancia política, a pesar de que en la corteza terrestre haya cantidades relativamente pequeñas o de que su extracción sea difícil por motivos tecnológicos o económicos (Ministerio de Economía, Comercio e Industria de Japón).