Au-delà des terres rares : la révolution des moteurs électriques qui va transformer l’avenir des voitures électriques
La transition vers une mobilité électrique est un des piliers essentiels de la lutte contre le changement climatique. Pourtant, derrière cette évolution vers un transport plus propre se cache un paradoxe majeur : la quasi-totalité des moteurs de traction des véhicules électriques (VE) actuels dépendent de terres rares. Ces éléments, présents dans les aimants au neodymium-fer-bore (NdFeB) qui équipent la plupart des modèles, ne causent pas seulement d’importants dommages environnementaux lors de leur extraction et de leur traitement, mais ils fragilisent aussi gravement les chaînes d’approvisionnement : environ 90 % du traitement mondial des terres rares est concentré en Chine, exposant les constructeurs du monde entier à des risques géopolitiques et économiques majeurs.
Cependant, une révolution silencieuse bouleverse l’industrie automobile. Des laboratoires de recherche aux grands groupes, des moteurs électriques innovants sont développés pour réduire ou éliminer complètement les terres rares, ouvrant la voie à une mobilité électrique plus durable, indépendante et performante. Ce n’est pas qu’un progrès technique : c’est un changement de paradigme qui redéfinit ce qu’est une voiture électrique « vraiment verte ».
Pourquoi les terres rares posent un problème urgent
Les terres rares (TR) sont des éléments chimiques dotés de propriétés magnétiques uniques. Lorsqu’elles sont alliées au fer ou au cobalt, elles forment des composés avec des valeurs élevées de produit d’énergie maximum (entre 30 et 55 MGOe pour les NdFeB), de rémanence (force magnétique résiduelle après aimantation) et de coercivité (résistance à la désaimantation). Ces caractéristiques sont essentielles pour concevoir des moteurs compacts, légers et efficaces, raison pour laquelle ils dominent le marché des VE aujourd’hui.
Mais le coût environnemental est lourd. L’extraction des terres rares nécessite l’utilisation d’acides toxiques qui contaminent sols et eaux, tandis que leur traitement génère des déchets dangereux. Sur le plan stratégique, la dépendance à un seul fournisseur mondial crée des vulnérabilités : toute interruption d’approvisionnement pourrait paralyser la production de véhicules électriques dans le monde entier. « Nous sommes dans une situation paradoxale », explique Vandana Rallabandi, chercheuse au Oak Ridge National Laboratory (ORNL), au Tennessee. « Nous cherchons à bâtir un système de transport plus écologique, mais nous dépendons de matériaux dont la production nuit à cet objectif ».
L’industrie répond : partenariats et projets audacieux
La nécessité de se passer des terres rares a déclenché une course technologique sans précédent. En novembre 2023, General Motors et Stellantis ont annoncé un partenariat avec la start-up Niron Magnetics pour développer des moteurs de véhicules électriques (VE) utilisant des aimants permanents sans terres rares, basés sur le nitrure de fer (FeN). Cette annonce fait suite à la déclaration surprise de Tesla en mars 2023, où un cadre supérieur a affirmé que la « prochaine unité de traction » de la marque utiliserait des aimants permanents « totalement exempts de terres rares » — une affirmation qui a fait sensation dans l’industrie.
De l’autre côté de l’Atlantique, le consortium Passenger, composé de 20 partenaires industriels et académiques, travaille sur des aimants permanents sans terres rares spécifiquement conçus pour les véhicules électriques. Parallèlement, le groupe ZF, un grand fournisseur automobile, développe un moteur synchrone expérimental avec un rotor à excitation inductive et des électroaimants au niveau du stator et du rotor, éliminant ainsi totalement l’utilisation des terres rares. Les premiers essais montrent que ce moteur de 220 kW peut rivaliser en densité de puissance et en efficacité avec les moteurs traditionnels en néodyme-fer-bore (NdFeB).
Ces efforts ne visent pas seulement à éviter les terres rares, mais aussi à repenser l’architecture même des moteurs. « Nous ne faisons pas que remplacer les aimants, » explique Burak Ozpineci du laboratoire national d’Oak Ridge, « nous réimaginons la façon dont le couple est produit dans un moteur, en compensant la perte de performance des terres rares grâce à des matériaux intelligents et une configuration ingénieuse. »
La science derrière l’alternative : matériaux et conception innovants
Remplacer les terres rares implique un défi fondamental : aucun matériau sans terres rares ne combine la densité maximale d’énergie magnétique, la rémanence et la coercivité du NdFeB. Les ingénieurs suivent principalement deux voies : utiliser des aimants permanents sans terres rares ou concevoir des moteurs totalement dépourvus d’aimants permanents.
Aimants permanents sans terres rares : compromis et innovations
Les aimants en ferrite, composés d’oxyde de fer associé à du strontium ou du baryum, sont les substituts sans terres rares les plus courants. Ils sont bon marché et abondants, mais présentent des défauts importants : faible densité d’énergie magnétique (3-5 MGOe environ), rémanence réduite et coercivité faible à haute température. Pour pallier ces limites, les ingénieurs ont développé des conceptions « rayonnées » qui concentrent le flux magnétique comme un entonnoir accélérant un courant d’eau. Ces moteurs en ferrite atteignent des couples comparables aux moteurs à terres rares mais pèsent environ 30 % de plus et sont plus complexes à fabriquer.
Les aimants en aluminium-nickel-cobalt (AlNiCo) offrent une rémanence plus élevée mais ont une faible coercivité et se démagnétisent facilement en fonctionnement. Des chercheurs du laboratoire Ames ont fait des progrès pour augmenter cette coercivité, tandis que d’autres développent des moteurs à « mémoire de flux variable » qui stabilisent la magnétisation par un composant de champ induit, réduisant ainsi le risque de démagnétisation.
Un concurrent plus récent est l’aimant au nitrure de fer (FeN) développé par Niron Magnetics. Le FeN présente une rémanence comparable au NdFeB, mais sa coercivité est environ un cinquième de celle du NdFeB. Pour contourner ce problème, Niron et General Motors conçoivent des rotors qui protègent le FeN des champs magnétiques externes, un défi technique que l’on espère résoudre dans les prochaines années.
Les aimants au manganèse-bismuth (MnBi) sont une autre option. Ils offrent une rémanence et une coercivité supérieures aux ferrites mais restent inférieurs au NdFeB. Des recherches à Oak Ridge montrent que les moteurs MnBi peuvent produire un couple équivalent à celui des moteurs NdFeB, mais au prix d’une augmentation de 60 % du volume et de 65 % du poids. Leur avantage est une réduction de 32 % du coût total du moteur, ce qui les rend attractifs pour les véhicules commerciaux et les flottes.
Auteurs : Vandana Rallabandi, Burak Ozpineci, Praveen Kumar
Affiliation : Laboratoire National d’Oak Ridge, Tennessee, États-Unis
Revue : IEEE SPECTRUM
Date de publication : août 2024
DOI : 10.1109/SPECTRUM.2024.3387654