La compañía japonesa lleva más de una década reduciendo el uso de materiales críticos en sus sistemas de propulsión eléctrica. Su estrategia combina imanes con menor contenido de disprosio, motores que prescinden de imanes permanentes y nuevos procesos para recuperar tierras raras al final de la vida útil del propulsor.
La electrificación del automóvil ha desplazado una parte de la dependencia industrial del petróleo hacia otras materias primas. Litio, níquel, cobalto, grafito o tierras raras se han convertido en materiales estratégicos para fabricantes y proveedores, aunque su función y su importancia son muy diferentes dentro de un vehículo eléctrico.
Nissan lleva más de una década trabajando específicamente sobre uno de esos frentes: las tierras raras utilizadas en los motores eléctricos. La compañía ha optado por no concentrar sus esfuerzos en una única tecnología, sino por combinar tres soluciones dependiendo de las necesidades de cada automóvil: reducir la cantidad de tierras raras pesadas utilizada en los imanes permanentes, eliminar directamente esos imanes en determinadas arquitecturas de motor y recuperar los materiales cuando los propulsores llegan al final de su vida útil.
El planteamiento tiene una importante dimensión industrial. Las tierras raras no son necesariamente elementos excepcionalmente escasos en la corteza terrestre. El problema está en encontrar concentraciones explotables económicamente y, sobre todo, en los complejos procesos necesarios para separar, refinar y transformar estos materiales hasta convertirlos en componentes utilizables por la industria.
En el automóvil eléctrico, además, el debate se concentra especialmente en determinadas tierras raras pesadas, empleadas para garantizar que los imanes mantengan sus propiedades cuando trabajan a temperaturas elevadas.
El problema no es solo el neodimio
Los motores eléctricos de imanes permanentes se han extendido por su capacidad para ofrecer una elevada densidad de potencia dentro de unas dimensiones relativamente reducidas. Entre los materiales utilizados destacan los imanes de neodimio-hierro-boro (NdFeB). Según la documentación técnica de Nissan, aproximadamente un 30% de la composición de un imán sinterizado de este tipo corresponde a tierras raras, frente a alrededor de un 69% de hierro y un 1% de boro.
Pero uno de los principales desafíos aparece cuando aumenta la temperatura. Los imanes pierden propiedades magnéticas conforme se calientan y un motor eléctrico puede alcanzar temperaturas considerables cuando trabaja bajo una carga elevada. Para mejorar su resistencia a la desmagnetización —una propiedad conocida como coercitividad— pueden utilizarse elementos como el disprosio o el terbio.
El inconveniente es que estos materiales incrementan el coste y añaden dependencia de una cadena de suministro especialmente concentrada. Nissan lleva años intentando reducir precisamente esa pequeña pero estratégica cantidad de material.
Un 40% menos de disprosio ya en 2012
La primera vía desarrollada por Nissan fue relativamente pragmática: si el disprosio resulta necesario para garantizar las propiedades del imán a altas temperaturas, la cuestión consiste en utilizarlo solamente allí donde realmente resulta efectivo. En colaboración con uno de sus proveedores, el fabricante desarrolló en 2012 un motor basado en una técnica conocida como difusión en borde de grano —grain boundary diffusion—.
En lugar de distribuir uniformemente el disprosio por todo el volumen del imán, el procedimiento concentra el material alrededor de los límites de los granos cristalinos. De esta manera se aprovecha mejor su capacidad para incrementar la resistencia térmica.
Nissan asegura que aquella solución permitió reducir un 40% la utilización de disprosio respecto a un motor eléctrico convencional sin perder resistencia frente a las altas temperaturas. El primer automóvil de la compañía que incorporó esta tecnología fue la actualización del Nissan LEAF lanzada en Japón en noviembre de 2012.
La evolución continuó durante los años posteriores. En 2020, los imanes empleados en el Nissan Note e-POWER utilizaban un 85% menos de tierras raras pesadas que los del LEAF de 2010, según los datos de la compañía.
La comparación permite entender hasta qué punto la reducción de estos materiales ha pasado de ser una cuestión experimental a convertirse en uno de los criterios utilizados durante el desarrollo de los sistemas de propulsión.
El Ariya tomó un camino diferente
La segunda estrategia es más radical: prescindir completamente del imán permanente. Es el planteamiento utilizado en el Nissan Ariya, cuyo sistema de propulsión recurre a un motor síncrono de excitación eléctrica, conocido por las siglas EESM, en lugar del motor de imanes permanentes interiores —IPM— empleado en modelos como el LEAF y en diferentes aplicaciones e-POWER de Nissan.
Eso no significa, naturalmente, que el motor funcione sin un campo magnético. La diferencia está en cómo se genera. En un motor de imanes permanentes, el rotor incorpora materiales que mantienen su propio campo magnético. En un EESM, ese campo procede de un electroimán formado por una bobina alimentada eléctricamente.
El resultado es que el rotor puede funcionar sin los imanes permanentes que requieren tierras raras. Además de reducir esa dependencia material, la arquitectura permite controlar las corrientes del rotor y del estator de manera independiente dependiendo de las condiciones de funcionamiento. Nissan señala entre sus ventajas potenciales una mejora de la eficiencia en determinados escenarios y una reducción de vibraciones y ruido.
No se trata, sin embargo, de una solución intrínsecamente superior en todos los casos. Alimentar eléctricamente el rotor también introduce complejidad y genera calor. Los motores de imanes permanentes, por su parte, continúan ofreciendo ventajas importantes en densidad de potencia, par y compacidad. Por eso Nissan mantiene ambas arquitecturas.
Nissan no pretende eliminar los imanes de todos sus coches
Esta coexistencia resulta probablemente uno de los aspectos más interesantes de la estrategia de la compañía. La utilización de un EESM en el Ariya podría llevar a interpretar que Nissan pretende abandonar progresivamente los motores de imanes permanentes. Su estrategia técnica apunta justamente en otra dirección.
Cuando las necesidades de integración exigen un sistema compacto y con elevada densidad de potencia, los imanes permanentes continúan teniendo sentido. La prioridad pasa entonces por disminuir al máximo la cantidad de material crítico que contienen.
Dentro de sus sistemas de propulsión modular X-in-1, Nissan ha desarrollado motores en los que las tierras raras pesadas representan un 1% o menos del peso del imán, de acuerdo con la información facilitada por la propia compañía.
La estrategia, por tanto, no enfrenta necesariamente una tecnología contra otra. Nissan utiliza motores con rotor excitado cuando las características del vehículo lo permiten y mantiene los imanes permanentes cuando sus ventajas de tamaño y prestaciones justifican su utilización, intentando reducir en estos últimos el contenido de materiales más críticos.
Una cadena industrial muy concentrada
Detrás de estas decisiones hay también una cuestión geopolítica. El problema de las tierras raras no se limita a disponer del mineral. Después de su extracción hay que separar los diferentes elementos, refinarlos, convertirlos en aleaciones y finalmente fabricar los imanes.
Cada una de esas etapas constituye un eslabón de una cadena industrial altamente especializada. Según la documentación aportada por Nissan, cerca de dos tercios de la extracción mundial de tierras raras procede de un único país, mientras que la concentración es todavía mayor en la fabricación de imanes, donde una sola geografía representa aproximadamente el 92% de la producción anual.
Esta situación convierte la reducción del consumo de determinados materiales en algo más que una cuestión medioambiental o de costes. Para un fabricante de automóviles, emplear menos disprosio por motor significa también reducir su exposición ante problemas de suministro, restricciones comerciales o variaciones bruscas del precio de las materias primas.
El tercer camino: recuperar el material de motores usados
Existe todavía otra posibilidad: aprovechar las tierras raras que ya están dentro de los vehículos. El reciclaje cobra especial relevancia porque recuperar estos elementos de un componente ya fabricado puede evitar parte de los complejos procesos necesarios para obtenerlos a partir del mineral.
Nissan ya retiraba los imanes de motores defectuosos o que quedaban fuera de las especificaciones durante su fabricación para devolver posteriormente los materiales a sus proveedores. El procedimiento presentaba, sin embargo, un problema evidente: requería distintas operaciones de desmontaje, desmagnetización y extracción.
La compañía ha trabajado junto con la Universidad de Waseda en Japón para desarrollar un método diferente. El proceso consiste en fundir el motor a una temperatura mínima de 1.400 ºC, junto con material carburizante y arrabio. Posteriormente se incorpora óxido de hierro para oxidar las tierras raras y un fundente basado en borato que permite disolver esos óxidos a temperaturas relativamente bajas. La mezcla termina separándose en dos capas líquidas. Las tierras raras se concentran en la escoria situada en la parte superior, desde donde pueden recuperarse.
Los resultados obtenidos durante las pruebas son significativos: Nissan afirma haber conseguido recuperar el 98% de las tierras raras presentes en el motor, al tiempo que el nuevo procedimiento reduce aproximadamente a la mitad el tiempo y el trabajo necesarios respecto al sistema utilizado anteriormente. La tecnología se encuentra todavía en fase de desarrollo con vistas a su aplicación práctica durante esta década.
De reducir materiales a cerrar el círculo
Las tres líneas de trabajo responden en realidad a momentos diferentes de la vida de un motor eléctrico. La primera actúa durante el diseño del imán, reduciendo la cantidad de disprosio necesaria. La segunda interviene en la propia arquitectura del propulsor y elimina el imán permanente cuando resulta técnicamente conveniente. La tercera aparece al final del ciclo y busca recuperar el material para introducirlo de nuevo en la cadena productiva.
Este enfoque forma parte del Nissan Green Program 2030, dentro del cual la compañía ha establecido a largo plazo el objetivo denominado “No new material resource use”, orientado a disminuir progresivamente la necesidad de incorporar nuevos recursos materiales.
El trabajo desarrollado desde el primer LEAF muestra además cómo ha cambiado el desafío técnico de la electrificación. La autonomía de las baterías continúa concentrando buena parte de la atención del mercado, pero la evolución del vehículo eléctrico también se juega en componentes mucho menos visibles.
Reducir unos gramos de un material crítico, elegir una arquitectura de motor diferente o recuperar prácticamente todo el contenido de tierras raras de un propulsor usado pueden parecer avances secundarios de forma aislada. A escala de cientos de miles o millones de vehículos, se convierten en decisiones industriales capaces de influir en costes, sostenibilidad y, sobre todo, en la seguridad de suministro de una industria que necesita cada vez más materias primas estratégicas.