Toyota si zahrála na malého chemika a vymyslela další snížení ceny elektromobilů
Elektromobily a hybridní vozidla sice mají potenciál dopravy blízké budoucnosti, avšak stále nad nimi visí řada otazníků. Pokud opomeneme fakt, že produkované emise nejsou vždy tak nízké či v případě elektromobilů nulové, jak se automobilky rádi chlubí, jde také o ceny použité technologie.
Třeba nezbytné elektromotory, které auto pohánějí, mají ve svých útrobách permanentní magnety. Obecně vzato, permanentní magnety se ještě v nedávné době vyráběly z materiálu na bázi samaria a kobaltu. V posledních letech ale došlo k průlomu, takže samarium a kobalt byly nahrazeny neodymem, přesněji sloučeninou Nd2Fe14B.
Velmi důležitou vlastností permanentních magnetů je takzvaná koercivita (někde se užívá také výrazu koercitivita). Jde o schopnost magnetu vytvářet magnetické pole. Právě použití neodymu přineslo zvýšení koercivity permanentním magnetům.
Příliš tepla škodí
Neodym je měkký stříbřitě bílý kovový prvek, zástupce skupiny lanthanoidů. V přírodě se neodym vyskytuje pouze ve sloučeninách, navíc v poměrně malém obsahu, konkrétně 23 až 28 mg/kg. Navíc zatím chybějí údaje o tom, zda se nachází také v mořské vodě.
Největší problém neodymu představuje vlastnost, podle níž se zvyšující se teplotou klesá jeho koercivita. A to již při teplotě nad 80 stupňů. V tomto ohledu si stály starší permanentní magnety na bázi samaria a kobaltu (takzvané samariové) lépe, neboť byly schopné odolávat i teplotám 300 stupňů.
Aby se zvýšila schopnost tvořit magnetické pole u neodymu i za vyšších teplot, je potřeba do něj přidat vhodné přísady. Konkrétně se jedná o terbium a dysprosium, oboje taktéž prvky skupiny lanthanoidy. Při jejich použití lze zvýšit hranici teploty, při níž dochází u neodymu k poklesu koercivity na přibližně 180 stupňů.
Problém je, že terbium a dysprosium jsou velmi vzácně se vyskytující prvky v přírodě, opět pouze ve sloučeninách. Obsah dysprosia je 3 až 4,5 mg/kg koncentrace v zemské kůře, terbia pak 0,9 mg/kg.
Nahradit je lze
Dle Toyoty lze neodym částečně nahradit prvky lanthanem a cerem. Současně se tím eliminuje potřeba terbia a dysprosia. Lanthan taktéž patří do skupiny prvků lanthanoidy, jak ostatně název napovídá. V přírodě se vyskytuje pouze ve sloučeninách, avšak v mnohem větší koncentraci než terbium, dysprosium a neodym. Konkrétně je v zemské kůře jeho koncentrace 18 až 30 mg/kg. Cer, který je rovněž zástupcem lanthanoidů, je dokonce v zemské kůře nejvíce zastoupeným prvkem lanthanoidů s koncentrací 46 až 60 mg/kg.
Použití lanthanu a ceru místo terbia a dysprosia přinese dostatečnou tepelnou odolnost permanentnímu magnetu při zachování vysokého stupně koercivity, tedy alespoň dle informací Toyoty.
Při vývoji nového typu permanentního magnetu řešili inženýři japonské automobilky několik technologií. Předně byla snaha zjemnit zrna magnetu, a to až na přibližně desetinu velikosti zrna u současných neodymových magnetů. Současně ale zvětšili oblast ohraničení zrn.
Druhým cílem bylo zvýšit efektivitu využití neodymu. A to zvětšením jeho koncentrace na povrchu zrn magnetu. U současných neohmových permanentních magnetů je neodym rozprostřen rovnoměrně v zrnech magnetu, což ovšem znamená, že je potřeba jeho větší množství.
Třetí klíčovou oblastí vývoje nového typu permanentního magnetu bylo najít poměr mezi uplatněním lanthanu a ceru. Ten je klíčový právě pro zvýšení koercivity. V opačném případě by naopak došlo k jejímu snížení.
A kdy lze nové permanentní magnety očekávat ve výrobě? Dle Toyoty bychom se jich mohli dočkat v příští dekádě, a sice coby součástky elektromechanických posilovačů řízení. V elektromotorech coby poháněcím ústrojí se údajně objeví v horizontu příštích deseti let.