Mathieu
Pendant plusieurs années, l’industrie automobile a été confrontée à une question simple : est-il possible de produire un moteur synchrone puissant, efficace et massivement produisible qui ne contient aucun élément de terres rares ? Un partenariat récemment annoncé entre General Motors et la start-up Niron Magnetics suggère un “oui” retentissant. Le 8 novembre, les médias ont rapporté que GM Ventures, Stellantis Ventures et plusieurs autres investisseurs avaient injecté 33 millions de dollars dans l’aimant en fer-nitrure de Niron. En même temps, GM et Niron ont annoncé qu’ils avaient convenu de former un partenariat stratégique pour co-développer des aimants permanents sans terres rares “qui pourront être utilisés dans les futurs véhicules électriques de GM”.
Cependant, de nombreux experts en magnétisme sont sceptiques. Ils remettent en question la possibilité de produire en masse un aimant économique sans terres rares qui soit assez solide et résistant pour la propulsion des véhicules électriques. “Il y a un composé là”, dit Alexander Gabay, chercheur à l’Université du Delaware, en référence au nitrure de fer des aimants développés par Niron. Mais “il n’est pas intrinsèquement capable de fabriquer un bon aimant. C’est aussi simple que ça. C’est bien connu dans la communauté.”
Les constructeurs automobiles ont dépensé des sommes énormes ces dernières années pour se préparer à un avenir dominé par les véhicules électriques. Une partie de cette préparation s’est concentrée sur les éléments de terres rares. Pour chaque 100 kilowatts de puissance maximale, un moteur de véhicule électrique utilise en moyenne 1,2 kilogramme d’aimants permanents néodyme-fer-bore, selon Adamas Intelligence. Et pour les constructeurs automobiles, il y a deux problèmes majeurs liés aux terres rares : Le traitement des éléments à partir du minerai a été jusqu’à présent une affaire généralement désastreuse pour l’environnement. Et près de 90% des terres rares transformées proviennent de Chine, ce qui signifie une dépendance de la chaîne d’approvisionnement qui effraie les constructeurs automobiles aux États-Unis, au Japon, en Europe et en Corée.
“La conception de l’aimant permanent est une excellente occasion pour nous de réduire nos coûts et notre impact environnemental sur nos moteurs électriques, tout en localisant notre chaîne d’approvisionnement en véhicules électriques en Amérique du Nord”, a déclaré Kai Daniels, principal superviseur chez GM Ventures, lors de la conférence de presse de novembre annonçant le partenariat avec Niron.
GM n’est pas le seul constructeur automobile à la recherche d’aimants permanents sans terres rares. En mars dernier, le directeur de l’ingénierie des groupes motopropulseurs de Tesla a causé une certaine agitation en déclarant que le “prochain groupe motopropulseur” de la société comprenait un moteur à aimant permanent qui “n’utiliserait aucun élément de terres rares du tout”. Mais pratiquement tous les experts contactés par IEEE Spectrum ont rejeté l’affirmation comme étant un vœu pieux.
Il n’y a pas de principes simples de physique et de chimie qui excluent la possibilité d’un aimant permanent puissant et durable qui n’utilise aucun élément de terres rares et dont le magnétisme reste à des températures élevées. En effet, un tel aimant existe déjà – le cobalt au platine (qui intègre souvent du bore également). Cependant, l’aimant est beaucoup trop cher pour un usage commercial. Il nécessite également du cobalt, dont l’approvisionnement est si problématique que les aimants incorporant l’élément représentent une part relativement faible du marché des aimants permanents.
Tout aimant permanent doit contenir un élément ferromagnétique, tel que le fer ou le cobalt. Pour comprendre pourquoi, commençons par les bases : le magnétisme permanent se produit dans certains matériaux cristallins lorsque les spins des électrons de certains des atomes du cristal sont contraints de pointer dans la même direction. Plus il y a de spins alignés, plus le magnétisme est fort. Pour cela, les atomes idéaux sont ceux qui comportent des électrons non-appariés tournoyant autour du noyau dans ce qu’on appelle des orbitales 3d. Le fer a quatre électrons 3d non-appariés, et le cobalt trois.
Mais ces électrons 3d non-appariés ne sont pas tout à fait suffisants pour un aimant permanent vraiment fort et pratique. Pour obtenir des performances superlatives, il faut espacer ces atomes dans le réseau cristallin avec certains atomes contenant des électrons 4f non-appariés. Ces atomes particuliers appartiennent tous au groupe des terres rares. Les éléments de terres rares spécifiques sont le néodyme, le praséodyme, le samarium et le dysprosium.
Ce que cet espacement fait, c’est fournir une structure ferromagnétique stable dans le cristal, ce qui favorise à son tour une caractéristique inhérente du cristal appelée anisotropie magnétique. Lorsque le cristal d’un matériau magnétique est relativement facile à magnétiser le long de certains axes par rapport à d’autres, le matériau est dit avoir une forte anisotropie magnétocristalline. Cette caractéristique est essentielle pour produire un aimant permanent bon et utile, car sans cela, l’aimant ne peut pas avoir ce qu’on appelle une coercivité élevée – la capacité à résister à la démagnétisation.
L’anisotropie magnétocristalline est la grande question entourant l’aimant en nitrure de fer de Niron. Une mesure pratique de ce type d’anisotropie est sa dureté magnétique, un matériau “dur” étant défini comme un matériau qui résiste fortement à la démagnétisation. Dans un article de 2016, des chercheurs de l’Université du Nebraska et du Trinity College de Dublin ont analysé des dizaines de matériaux magnétiques réels et hypothétiques et ont trouvé un paramètre, κ, pour indiquer de manière concise cette dureté. Ils ont affirmé que “en traçant la ligne de dureté magnétique à κ = 1, la règle générale pour le succès possible dans le développement d’aimants permanents compacts est que le matériau doit être dur” – en d’autres termes, avoir un κ supérieur à 1. L’article incluait un tableau des matériaux magnétiques et de leurs valeurs κ. L’aimant permanent standard utilisé dans les moteurs de véhicules électriques, le néodyme-fer-bore, a un κ de 1,54, selon ce tableau. Pour le nitrure de fer, les auteurs ont donné une valeur κ de 0,53. (Les aimants néodyme-fer-bore, soit dit en passant, ont été inventés au début des années 1980 séparément par deux groupes de chercheurs, dont l’un était chez General Motors.)
Si Niron a trouvé un moyen de contourner le problème apparent d’anisotropie du nitrure de fer, ils garderaient évidemment très précieusement une telle propriété intellectuelle. Le marché mondial des aimants de néodyme se chiffre donc en milliards de dollars par an et augmente. Mais Gabay n’y croit pas. “Dans notre domaine, le principal rassemblement s’appelle l’Atelier international sur les terres rares et les futurs aimants permanents. [Lors du plus récent, en septembre], Niron avait une présentation, où ils disaient beaucoup de mots, mais ils n’ont jamais montré de données. Les gens leur ont demandé de montrer quelque chose, mais ils n’ont jamais rien montré.”
Interrogé sur le problème d’anisotropie du nitrure de fer, le directeur technique de Niron, Frank Johnson, a répondu dans un email : “La première réaction de nombreux membres de la communauté du magnétisme est de dire que le nitrure de fer ne peut pas servir de remplacement direct pour les aimants à base de terres rares dans les moteurs de véhicules électriques. Ils ont, bien sûr, tout à fait raison. Le nitrure de fer est un nouveau matériau magnétique avec son propre équilibre de propriétés. Exploiter au maximum un nouveau matériau nécessite une optimisation de la conception… Le partenariat avec des concepteurs de machines électriques de classe mondiale, dont ceux des investisseurs GM et Stellantis, est le lien entre les propriétés révolutionnaires du matériau et la prochaine génération de moteurs sans terres rares.”
Lors de la conférence de presse de novembre, Kai Daniels de GM Ventures et deux membres de l’équipe de communication de GM ont refusé de dire quand GM prévoyait que les aimants en nitrure de fer seraient prêts à être utilisés dans un moteur de traction de véhicule électrique grand public. Mais lors d’une entrevue avec Spectrum en mars dernier, le vice-président exécutif de Niron, Andy Blackburn, a suggéré que des aimants adaptés à un usage dans des moteurs de véhicules électriques pourraient être disponibles dès 2025.
