Des aimants sans terres rares dans les prochains moteurs Tesla

D’entrée de jeu il faut savoir que, selon la firme d’experts conseils IDTechEx, 86 % des moteurs des voitures électriques étaient des moteurs à aimants permanents au premier semestre 2022, 13 % des moteurs à induction et 1 % des moteurs à rotor bobiné. Sans rentrer dans les détails du fonctionnement des différents types de moteurs, disons que les moteurs à aimants permanents sont les plus légers (de 50 kg à 100kg pour 200 kW crête) et ont la plus grande efficacité maximale (96 % à 98 %). Les moteurs à induction ont une efficacité maximale typiquement de 90 % à 92 %, et les moteurs à rotor bobiné un peu moins. Si les moteurs à aimants permanents sont si performants c’est qu’ils utilisent des aimants au néodyme-fer-bore très puissants. Le néodyme fait partie de la famille d’éléments chimiques appelée terres rares, au nombre de 17, et on en retrouve d’autres que le néodyme, en quantité moindre, dans ces aimants.

Mais alors, pourquoi Tesla veulent-ils se débarrasser des terres rares s’ils permettent de fabriquer les meilleurs moteurs électriques? C’est ce que Colin Campbell, directeur de l’ingénierie des groupes motopropulseurs chez Tesla, a annoncé à l’ Investor Day de Tesla, le 1^er mars 2023. (Voir la vidéo YouTube «2023 Investor Day» à 52m 45s du début). Ci-dessous, la diapo de sa présentation qui dévoile leurs intentions. La prochaine section va répondre au pourquoi.

Capture d’écran de la présentation de Colin Campbell montrant la diapo qui précise que la prochaine génération de moteur à aimant permanent de Tesla ne contiendra aucune terre rare, tout en ayant des unités d’entrainement moins chers et plus efficaces. Source : Tesla.

La problématique des terres rares

Il n’y a pas que les moteurs des voitures électriques qui utilisent les terres rares, les générateurs électriques des éoliennes également, des moteurs de machines industrielles, les robots, des disques durs, les pots catalytiques des voitures à essence, les écrans plats (téléphones intelligents, télévisions, moniteurs), les panneaux solaires et de multiples applications en défense (displays électroniques, systèmes de guidage, radars, lasers, sonars)… La demande est en croissance exponentielle, en raison particulièrement de la lutte aux changements climatiques et à la pollution atmosphérique, principalement dans les secteurs des transports et de la production d’énergie. Cette situation a fait monter le prix du néodyme depuis trois ans, comme le montre le graphique ci-dessous de IDTechEx.

Or, la Chine extrait 60 % des terres rares comme le montre le graphique ci-dessous, en provenance de Statista et 85 % du raffinage se faisait toujours en Chine en 2021. Bien que la domination de l’extraction minière diminue depuis 6 à 7 ans, la Chine va demeurer le chef de file de la chaine d’approvisionnement pour encore une bonne décennie. Surtout qu’ils ont pris le contrôle des mines de plusieurs pays en Afrique en échange d’infrastructures, entre autres choses. Et, dans la situation géopolitique tendue actuelle, c’est inquiétant pour les pays occidentaux, qui dépendent autant des terres rares.

Hégémonie de la Chine sur les terres rares. Source : Statista.

En plus du prix volatile des terres rares et d’une hégémonie géopolitique dans la chaine d’approvisionnement, il y a également et beaucoup l’empreinte écologique importante de l’extraction et du raffinage de cette famille d’éléments chimiques qui constitue une source de préoccupation.

Contrairement à l’or qui est rare sur terre, les terres rares ne le sont pas réellement. Les ressources ne sont toutefois pas très concentrées et plutôt dispersées. De plus, les terres rares sont souvent mélangées ensemble, avec des propriété chimiques similaires. C’est ce qui fait que leur extraction et leur raffinage, pour les séparer, est complexe et coûteuse, faisant intervenir beaucoup de réactants chimiques souvent toxiques et corrosifs qui polluent l’air, les nappes d’eau et les sols. C’est ce que précise l’article « Not So Green Technology : The Complicated Legacy of Rare Earth Mining» de Jaya Nayar, dans le Harvard International Review (12 août, 2021). Voici une citation de cet article à propos des deux méthodes d’extraction des terres rares:

« Les deux méthodes produisent des montagnes de déchets toxiques, avec un risque élevé pour l’environnement et la santé. Pour chaque tonne de terres rares produite, le processus d’extraction génère 13 kg de poussière, 9 600 à 12 000 mètres cubes de gaz d’échappement, 75 mètres cubes d’eaux usées et une tonne de résidus radioactifs. Cela s’explique par le fait que les minerais de terres rares contiennent des métaux qui, mélangés aux produits chimiques des bassins de lixiviation, contaminent l’air, l’eau et le sol. Le plus inquiétant est que les minerais de terres rares contiennent souvent du thorium et de l’uranium radioactifs, qui ont des effets particulièrement néfastes sur la santé. Au total, pour chaque tonne de terres rares, 2 000 tonnes de déchets toxiques sont produites.» Traduit avec le traducteur DeepL.

Alors, on comprend pourquoi Tesla veut éliminer les terres rares de ses moteurs en lisant, sur le site de la compagnie, sa mission, telle qu’énoncée par son président Elon Musk en 2013:

«Lorsque nous avons créé Tesla il y a dix ans, notre objectif était le même qu’aujourd’hui : accélérer l’avènement des transports durables en commercialisant le plus rapidement possible des voitures électriques de masse convaincantes.» Traduit avec le traducteur DeepL.

Les aimants permanents 101

La science derrière les aimants permanents est très complexe et nous ne pouvons que l’effleurer dans cet article, en faisant valoir quelques généralités et propriétés.

Le magnétisme des aimants est essentiellement causé par le magnétisme des électrons qui circulent autour du noyau des atomes. En effet, les électrons n’ont pas seulement une charge électrique, ils possèdent également ce qu’on appelle un moment magnétique. Tout ça pour dire que les électrons se comportent comme de petits aimants eux-mêmes, avec un pôle nord et un pôle sud magnétiques. Dans la plupart des atomes, les moments magnétiques des électrons s’annulent les uns les autres en pointant dans des directions opposées. Deux groupes d’atomes, cependant, ont un ou plusieurs électrons dont le moment magnétique n’est pas annulé. Il s’agit pour le premier groupe, du fer, du nickel et du cobalt, et pour l’autre groupe des éléments appelés terres rares, au nombre de 17, dont le néodyme, le samarium, le dysprosium, l’erbium, l’yttrium…

Les aimants permanents sont constitués de ces éléments magnétiques, dans différentes proportions et différentes structures crystallines, afin d’optimiser la force des aimants et leur résistance à être désaimantés.

Normalement, quand on fabrique un aimant on le place dans un champ magnétique extérieur intense, produit par un électro-aimant. Lorsqu’on coupe le champ magnétique extérieur, l’aimant demeure aimanté plus ou moins fortement, selon le type d’aimant. On dit que l’aimant a une induction magnétique rémanente Br, dont l’unité de mesure est le Tesla, qui caractérise la force de l’aimant. Par ailleurs, on peut désaimanter un aimant en lui opposant un champ coercitif de désaimantation Hc, en kA/m, dont la valeur caractérise la coercitivité de l’aimant, ou son habilité à résister à la désaimantation par un champ magnétique extérieur opposé, plus H_c est élevé. On peut également désaimanter un aimant en le chauffant jusqu’à sa température dite de Curie, en °C. Pour plus de détails, voir l’article «Aimant» dans Wikipedia. Le tableau ci-dessous illustre les caractéristiques magnétiques que nous venons de mentionner pour divers types d’aimants commerciaux et les aimants historiques en aciers. Il est tiré de l’article de Wikipedia.

Propriétés des aimants commerciaux et historique. B_r représente la force de l’aimant, H_c sa coercitivité et T° de Curie sa résistance à la chaleur. Source : Article «Aimant» de Wikipedia.

Comme on le constate dans la première colonne des propriétés (Br), ce sont les aimants Néodyme-fer-bore qui sont les plus forts, le néodyme faisant partie des terres rares. La deuxième colonne (Hc) nous dit que  les aimants en Alnico sont les plus faciles à désaimanter avec un champ magnétique extérieur. Ils sont constitués d’un alliage aluminium-nickel-cobalt, d’où leur nom. Finalement, la dernière colonne de propriétés chiffrées, T° de Curie, nous montre que pour la résistance à la température les aimants au Samarium-cobalt et les aimants Alnico sont vainqueurs, sur un pied d’égalité. Le Samarium est également une terre rare.

Si on élimine les deux types d’aimants commerciaux qui contiennent des terres rares, il reste les aimants en ferrite (oxydes de fer) et les aimants en Alnico. Mais, ces derniers contenant du cobalt (problème de rareté et d’éthique ouvrière) et étant trop facile à désaimanter, on les écarte comme solution pour les futurs moteurs Tesla. Il ne resterait donc, dans les aimants commerciaux, que les aimants en ferrite, comme ceux qu’on utilise pour faire tenir des photos sur la porte de nos frigos. Il y a également de nouveaux aimants en développement qui ne contiennent pas de terres rares, comme nous le verrons ci-dessous.

Quels aimants va utiliser Tesla dans ses moteurs?

À part les aimants en ferrite, il y a deux nouveaux types d’aimants en développement présentement.

Des aimants en nitrure de fer?

Le premier type est constitué de nitrure de fer, donc de fer et d’azote, des éléments extrêmement abondants, sans problèmes environnementaux majeurs. La compagnie étatsunienne Niron Magnetics les développe depuis plus de 10 ans et construisent présentement une chaine de production pilote. Dans un article intitulé «What Is Tesla Mystery Magnet?» publié le 17 mars 2023 dans la revue IEEE Spectrum, l’auteur Glenn Zorpette rapporte un échange téléphonique avec le vice-président exécutif de Niron Magnetics, Andy Blackburn, qui lui dit qu’ils vont sortir leur premier aimant commercial à la fin 2024, dont la force sera entre celle des aimants au néodyme et celle des aimants en ferrite, en visant le marché des hauts-parleurs. Si tout se passe bien, leur deuxième produit sortirait en 2025, des aimants dont la force serait similaire à celle des aimants au néodyme, la coercitivité semblable à celle des aimants en ferrites, et la résistance à la chaleur (température de Curie) aussi bonne que celle des aimants au samarium-cobalt (les meilleurs sous cet aspect).

Compte-tenu de cette information, il apparait peu probable que les aimants en nitrure de fer de Niron Magnetics soient utilisés pour produire les moteurs de Tesla de la prochaine génération de véhicules, à la future giga-usine du Mexique en 2025. Les quantités requises sont trop grandes et l’échéancier trop court pour une production de masse par une compagnie en démarrage, avec une technologie jamais commercialisée auparavant. À moins que l’équipe de scientifiques des matériaux de Tesla/SpaceX ait développé, dans le secret, leur version de ce nouveau type d’aimants ainsi que la façon de les produire à grande échelle. Toutefois, aucun brevet Tesla sur de nouveaux aimants a été identifié, à notre connaissance. Mais, qui sait.

De toute façon, les aimants en nitrure de fer de Niron Magnetics, s’ils ont les propriétés que nous venons de mentionner, vont certainement révolutionner l’industrie des aimants!

Des aimants cosmiques?

Il y a une autre possibilité d’obtenir de nouveaux aimants performants sans terres rares, dont les bases viennent d’être jetées en 2022. Il s’agit d’un alliage fer-nickel avec une structure crystalline tétragonale, appelé tétrataenite, qu’on n’a découvert que dans des météorites. On a longtemps pensé que pour produire cette structure crystalline particulière il fallait que l’alliage fer-nickel se refroidisse très lentement, pendant des milliers d’années, comme dans les météorites. Personne n’avait pu reproduire de la tétrataenite autrement qu’à l’échelle microscopique en laboratoire, en utilisant un bombardement par des neutrons, un procédé éminemment incompatible avec une production de masse. Mais, voilà que des chercheurs de l’Université de Cambridge, Lindsay Greer et Yurii Ivanov, en collaboration avec des chercheurs autrichiens, ont réussi à synthétiser rapidement (quelques secondes) cet alliage et sa structure crystalline, en utilisant une petite quantité de phosphore. Ils ont présenté leurs résultats en octobre dernier dans un article de la revue Advanced Science, (vol. 10, numéro 1, 25 octobre 2022).

Malgré ce succès pour produire la tétrataenite, ils n’ont pas encore un aimant fonctionnel capable de rivaliser avec les aimants au néodyme. Beaucoup de travail reste encore à faire. Mais, comme ils le disent eux-mêmes dans la conclusion de leur article, leurs travaux «revêtent un intérêt potentiel pour la production d’aimants permanents de haute performance sans éléments des terres rares».

Encore ici, il est peu probable que cette nouvelle possibilité technologique se retrouve en 2025 dans des millions d’aimants des moteurs de Tesla. À moins que les chercheurs de Tesla travaillaient sur ce problème depuis plusieurs années eux aussi, dans le secret, et qu’ils aient trouvé une solution pour en fabriquer à l’échelle industrielle. Il faudrait, toutefois, qu’ils aient déjà en main les plans pour construire l’usine et les méthodes de production automatisées, ce qui est beaucoup demander.

Même si ces aimants «cosmiques» ne sont pas prêts pour en commencer une production à grande échelle en 2024-2025, ils pourraient eux-aussi révolutionner potentiellement le monde des aimants d’ici 2030. Mais, comme on dit, ne vendons pas la peau de l’ours avant de l’avoir tué, tout en restant positifs.

Les aimants en ferrite semblent les plus probables

Il reste donc les aimants en ferrite. Même si leur force est moindre que celle des aimants au néodyme, on peut en mettre des plus gros et concevoir le moteur en conséquence. C’est ce qu’ont fait des chercheurs de Hitachi Metals en 2022, en concevant un moteur à aimants permanents en ferrite aussi performant que ceux utilisant des aimants au néodyme. Le prix à payer est une augmentation du poids du moteur de 30%, ou, si on veut garder le même poids, une augmentation de la vitesse de rotation de 50%. Pour plus de détails, voir l’article du blogue Green Car Congress intitulé «Hitachi Metals shows its ferrite magnet motors can match performance of neodymium traction motors» (10 décembre 2022). D’autres chercheurs japonais ont pour leur part démontré en 2016 que l’efficacité maximale d’un moteur à aimants permanents en ferrite peut atteindre 93 %. C’est 4 % à 5 % de moins que les moteurs à aimants permanents actuels de Tesla.

Peut-être que l’équipe de chercheurs chevronnés de Tesla en génie des matériaux a pu réduire cet écart à 3 % en 2023, ou qu’ils ont amélioré les aimants en ferrite. Si l’on se reporte à la première figure du présent article, qui montre la diapo du Investor Day de Tesla où l’on parle de ce futur moteur à aimants permanents, la dernière phrase du bas dit :

«Lower Cost and Higher Efficiency Drive Units Using Zero Rare Earths Magnets».

À remarquer que Tesla n’utilise pas le mot «moteurs» mais «Drive Units» (systèmes d’entrainement) qui comprennent le moteur, l’électronique de puissance et les engrenages. Il est possible que les ingénieurs de Tesla aient augmenté l’efficacité de l’électronique de puissance et que cela compense la légère perte d’efficacité du moteur proprement dit, avec des aimants en ferrite.

En terminant, n’oublions pas que le prochain véhicule électrique de Tesla qui va utiliser ce nouveau moteur devrait être vendu à 25 000 $ US et qu’il n’a pas besoin de faire 0 à 100 km/h en moins de 4 secondes. C’est une petite voiture, la future voiture électrique du peuple qui devrait être leur plus gros vendeur, pas un bolide super puissant pour les pilotes de course. Le moteur n’a donc pas besoin d’afficher plus de 130 kW de puissance. Et l’augmentation du poids du moteur ne devrait pas dépasser 20 kg environ, possiblement moins. Ça serait un très bon compromis pour éliminer les problèmes d’approvisionnement éventuels en aimants aux terres rares et les préoccupations environnementales qui sont liées à ces aimants.

CONCLUSION

Nous avons vu en premier lieu que 86 % des moteurs des véhicules électriques sont des moteurs à aimants permanents avec des aimants au néodyme, parce que ce sont les moteurs les plus efficaces, les plus compacts et les plus légers. Toutefois, les terres rares présentent plusieurs inconvénients.

Premièrement, la croissance exponentielle des véhicules électriques et des éoliennes, qui en utilisent, exerce une pression indue sur l’industrie minière, qui a besoin de temps pour mettre en place de nouvelles mines. Il en résulte une montée importante du prix, qui a plus que doublé de 2019 à 2022. Il y a donc un risque qu’il y ait une rupture de la chaine d’approvisionnement pendant quelques années. Un autre problème est que la Chine extrait 60 % des terres rares et en raffine 85% mondialement. Il y a donc une hégémonie qui devient une tension géopolitique inquiétante dans le contexte actuel. Et finalement, l’extraction et le raffinage des terres rares entrainent des préoccupations environnementales justifiées dans le cadre des technologies utilisées présentement. Ce sont là toutes d’excellentes raisons, pour un fabricant automobile soucieux de sa chaine d’approvisionnement et du développement durable, de chercher à remplacer les aimants aux terres rares des moteurs de ses véhicules électriques.

Nous avons identifié trois candidats potentiels pour remplacer les aimants aux terres rares dont deux sont en développement, les aimants au nitrure de fer de Niron Magnetics et les aimants au fer-nickel de type tétrataenite, et le troisième candidat les aimants commerciaux en ferrite (oxydes de fer). Les aimants au nitrure de fer devraient être prêts à une commercialisation de masse avant 2030. Les aimants au fer-nickel sont prometteurs mais c’est difficile de dire quand ils pourraient être commercialisés. Or, la nouvelle giga-usine de Tesla au Mexique devrait être en production en 2025 pour fabriquer le nouveau modèle de voiture électrique bon marché, qui est susceptible d’utiliser ces futurs moteurs sans terres rares en premier. Donc, à moins d’une percée inattendue des chercheurs de Tesla en génie des matériaux, leurs futurs moteurs devraient utiliser des aimants en ferrite, du moins dans un premier temps.

Dans cette optique, nous avons vu que des chercheurs japonais ont conçu un tel moteur avec des performances similaires aux moteurs utilisant des aimants au néodyme. Le prix à payer serait une augmentation du poids du moteur d’environ 20 kg, pour une puissance de 130 kW ou, si on ne veut pas augmenter le poids du moteur, une augmentation de 50% de sa vitesse de rotation. Ça peut être une combinaison des deux. Pour ce qui est de l’efficacité des moteurs avec des aimants en ferrite on devrait s’attendre à une diminution de l’efficacité de 3% à 4%, qui pourrait être rattrapée en améliorant l’efficacité de l’électronique de puissance du moteur.

C’est un compromis qui serait tout à fait respectable si on élimine les inconvénients liés aux aimants utilisant des terres rares. D’ailleurs, c’est ce genre de compromis qu’a fait Tesla en introduisant des batteries au phosphate de fer dans 60 % de ses véhicules, pour les mêmes raisons. Mais, peut-être que Tesla nous réserve une surprise!

Source : https://roulezelectrique.com/des-aimants-sans-terres-rares-dans-les-prochains-moteurs-tesla/