Increasing the sustainability of Nd-Fe-B permanent magnets used in wind power and electromobility through hydrogen-based functional recycling

The so-called short-loop or functional recycling approach based on hydrogen decrepitation (HD) was used on a pilot plant scale (up to 50 kg, depending on the process step) to recycle conventionally manufactured sintered magnets from a magnetic resonance imaging (MRI) application and resource-optimized grain boundary diffusion (GBD) magnets in a first step. Changes in different material prop-erties like chemical composition, impurity content, particle size, magnetic properties, microstructure, and degree of alignment were investigated in detail. Multiple recycling of the MRI magnets leads to a decrease in texture, in orientation, and in the resulting magnetic properties of the recycled magnets. Meanwhile, the impurities and particle size of the material increase through several milling and sinter-ing processes. With addition of 4 wt. % Nd hydride to the recycled material, the density of the recycled magnets can be fully restored. Nevertheless, it could be shown that magnetic properties of the recycled magnets match the specification of primary magnets even after several recycling cycles.

The functional recycling of GBD magnets shows a similar decrease in remanence (∆Br = -5 %) com-pared to the recycling of conventionally manufactured MRI magnets (∆Br = -7 %). In the case of coer-civity, however, a larger decrease (∆HcJ = -21 %) is observed compared to the recycling of MRI mag-nets (∆HcJ = +6 %). The dissolution of the special GBD core-shell microstructure through the different heat treatment steps which include hydrogen decrepitation, sintering, and annealing is mostly respon-sible for the large decrease in the coercivity. Nevertheless, the recycled magnets show similar rectangu-lar demagnetization curves with a squareness of 96 %, a remanence of 1.31 T, and coercivity of 1703 kA/m. A new GBDP using 1.5 wt.% Tb with a pure Tb-foil as diffusion source leads again to the for-mation of a core-shell structure with 0.5 μm thick Tb-shells at a distance of 200 – 400 µm from the sur-face, which is similar to the microstructure of the original magnets prior to recycling. The coercivity of the recycled magnets is increased by 35 % and shows similar magnetic values as the original industrial magnets at 150 °C and 200 °C, respectively. The temperature coefficients for the remanence, α, and for the coercivity, β, are fully restored and even exceed the original values which leads to an improved temperature stability of the recycled magnets compared to the original magnets.

Based on these results, the particle size distribution of a recycled powder was modified in order to reduce the deterioration of the magnetic properties due to recycling. For this purpose, 15 kg of End-of-Life (EoL)-magnets from wind turbine were decrepitated under hydrogen and subjected to inline clas-sifying after jet-milling to remove particles smaller than 1 µm which should reduce the tendency to oxidize during the recycling process. The resulting particle size distribution, specific surface area, com-position of crystalline phases, thermal phase changes, chemical composition, impurity content, micro-structure, and magnetic properties, were analyzed in detail. The classifying leads to a narrower particle size distribution and an improved D90/D10 ratio of 3.00 compared to 4.20 before classifying, and an increase in the D50 value from 5.78 µm to 6.20 µm. With the use of the classified powder, the oxygen content of the recycled magnets could be successfully reduced from 0.33 wt.% to 0.18 wt.%. In the case of nitrogen and carbon, even the values of the EoL-magnet are achieved or undercut. The rema-nence of the classified recycled magnets exceeds with 1.29 T the value from the EoL-magnets (1.27 T) and has a squareness of 98 %. There was a loss of rare earth (RE) during the milling and classifying process which leads together with the coarser microstructure to a reduced coercivity and temperature stability (e.g., -0.16 %/°C compared to -0.14 %/°C).

Finally, the practical application of recycled magnets in e-mobility applications such as Pedelecs, e-Scoo-ters, and Hoverboards should be demonstrated with regard to their performance and recyclability. For this, a variety of EoL-magnet waste streams serve as feedstock for the production of recycled mag-nets which should then meet the necessary specifications for use in the above applications. After the production of a large number of such recycled magnets, they are installed in the demonstrators. Meas-urements on various test benches show that the demonstrators with recycled or reused magnets exhibit across the entire rotation speed range a similar or higher electromotive force or induced voltage as compared to their counterparts with primary magnets. While the e-Scooter motor achieves almost the same induced voltage (-0.7 %) by using recycled magnets, the Hoverboard motor shows even an in-creased voltage of 6.7 %. In the case of the Pedelec motor, the reuse of EoL-magnets led to a voltage increase of 0.9 % compared to the use of primary magnets. At the same time an increased sustainabil-ity of these devices through a reduced CO2 footprint can be achieved by the use of recycled or reused magnets. Furthermore, recycled magnets can lower the production cost of products using permanent magnets by reducing the energy consumption and raw material costs.

Das auf der Wasserstoffversprödung basierende sogenannte short-loop oder funktionale Recycling wurde im Technikumslevel (bis zu 50 kg, je nach Prozessschritt) zunächst zum Recycling von traditionell hergestellten Sintermagneten aus Magnetresonanztomographen (MRT) und ressourcen-optimierten Korngrenzdiffusionsmagneten (engl. grain boundary diffusion, GBD) verwendet. Änderungen unterschiedlicher Materialeigenschaften wie die chemische Zusammensetzung, der Verunreinigungsgehalt, Partikelgröße, magnetische Eigenschaften, Mikrostruktur und der Orientierungsgrad wurden im Detail untersucht. Mehrfaches Recycling der MRT Magnete resultiert in einer Abnahme der Textur, der Orientierung und den resultierenden magnetischen Eigenschaften der recycelten Magnete. Gleichzeitig steigt der Verunreinigungsgehalt und die Partikelgröße des Materials durch mehrere Mahl- und Sinterprozesse an. Durch die Zugabe von 4 Gew.-% Nd-hydrid zum rezyklierten Material, kann die Dichte der Recyclingmagnete vollständig wiederhergestellt werden. Dennoch konnte gezeigt werden, dass die magnetischen Eigenschaften recycelter Magnete die Spezifikationen von Primärmagneten auch nach mehreren Recyclingzyklen erfüllen.

Das funktionale Recycling von GBD-Magneten zeigt eine ähnliche Verringerung der Remanenz (∆Br = 5 %) verglichen mit dem Recycling von traditionell hergestellten MRT Magneten (∆Br = -7 %). Im Fall der Koerzitivfeldstärke ist eine größere Abnahme (∆HcJ = -21 %) verglichen mit dem Recycling der MRT Magnete (∆HcJ = +6 %) zu beobachten. Die Auflösung der speziellen GBD Kern-Schale Mikrostruktur durch die verschiedenen Wärmebehandlungsschritte, welche Wasserstoffversprödung, Sintern und Glühen beinhaltet, ist hauptsächlich verantwortlich für die große Abnahme der Koerzitivfeldstärke. Die Recyclingmagnete zeigen ähnlich rechtwinklige Entmagnetisierungskurven mit einer Rechtwinkligkeit von 96 %, eine Remanenz von 1,31 T und eine Koerzitivfeldstärke von 1703 kA/m. Ein neuer Korngrenzendiffusionsprozess unter Verwendung von 1,5 Gew.-% Tb mit einer Tb-Folie als Diffusionsquelle, führt erneut zur Bildung einer Kern-Schale Struktur mit 0,5 µm dicken Tb-Schalen in einem Abstand von 200 – 400 µm von der Oberfläche, welche ähnlich zur Mikrostruktur des ursprünglichen Magneten vor dem Recycling ist. Die Koerzitivfeldstärke der recycelten Magnete wird dadurch um 35 % erhöht und zeigt bei 150 °C und 200 °C ähnliche magnetische Werte wie der original Magnet. Die Temperaturkoeffizienten der Remanenz, α, und Koerzitivfeldstärke, β, werden vollständig wieder-hergestellt und übertreffen sogar die original Werte, was zu einer verbesserten Temperaturbeständigkeit der Recyclingmagnete im Vergleich zu den Primärmagneten führt.

Aufbauend auf diesen Ergebnissen wurde die Partikelgrößenverteilung eines rezyklierten Pulvers modifiziert, um die Verschlechterung der magnetischen Eigenschaften durch das Recycling zu reduzieren. Für diesen Zweck wurden 15 kg End-of-Life (EoL)-Magnete aus Windturbinen unter Wasserstoff versprödet und nach dem Mahlen mittels Gegenstrahlmühle einem inline-Sichten unterzogen, um Partikel kleiner als 1 µm zu entfernen, was die Oxidationsneigung während des Recyclingprozesses reduzieren sollte. Die Partikelgrößenverteilung, spezifische Oberfläche, kristalline Phasenzusammensetzung, thermische Phasenänderungen, chemische Zusammensetzung, Verunreinigungsgehalt, Mikrostruktur, und magnetische Eigenschaften, wurden ausführlich analysiert. Das Nachsichten führt zu einer engeren Partikelgrößenverteilung und einem verbesserten D90/D10 Verhältnis von 3,00 im Vergleich zu 4,20 vor dem Sichten, und einer Erhöhung im D50-Wert von 5,78 µm auf 6,20 µm. Durch Verwendung des gesichteten Pulvers, konnte der Sauerstoffgehalt des Recyclingmagneten erfolgreich von 0,33 Gew.-% auf 0,18 Gew. % reduziert werden. Im Fall von Stickstoff und Kohlenstoff werden sogar die Werte des EoL-Magneten erreicht oder unterschritten. Die Remanenz der gesichteten Recyclingmagnete übersteigt mit 1,29 T den Wert des EoL-Magneten (1,27 T) und hat eine Rechtwinkligkeit von 98 %. Beim Mahl- und Sichtungsprozess trat ein Verlust an Seltenen Erden (SE) auf, was zusammen mit der gröberen Mikrostruktur zu einer reduzierten Koerzitivfeldstärke und Temperaturbeständigkeit (z.B. -0,16 %/°C im Vergleich zu -0,14 %/°C) führt.

Schließlich sollte die praktische Anwendung recycelter Magnete in Elektromobilitäts-Anwendungen wie Pedelecs, e-Scooters und Hoverboards im Hinblick auf ihre Leistungsfähigkeit und Wiederverwertbarkeit demonstriert werden. Unterschiedliche EoL-Magnetstoffströme dienen als Ausgangsmaterial für die Produktion recycelter Magnete, die die notwendigen Eigenschaften für die Verwendung in den genannten Anwendungen aufweisen. Nach der Produktion einer größeren Anzahl solcher Recyclingmagnete wurden diese in die Demonstratoren eingesetzt. Messungen an verschiedenen Testständen zeigen, dass die Demonstratoren mit recycelten oder wiederverwendeten Magneten über den gesamten Drehzahlbereich eine ähnliche oder höhere elektromotorische Kraft oder induzierte Spannung aufweisen, als ihre Gegenstücke mit Primärmagneten. Während der e-Scooter Motor unter Verwendung recycelter Magnete annähernd die gleiche induzierte Spannung erreicht (-0,7 %), zeigt der Hoverboard Motor sogar eine erhöhte Spannung um 6,7 %. Im Fall des Pedelec Motors führt die Wiederverwendung von EoL-Magneten zu einer Spannungserhöhung von 0,9 % verglichen mit der Verwendung von Primärmagneten. Gleichzeitig kann durch die Verwendung von recycelten oder wiederverwendeten Magneten eine größere Nachhaltigkeit dieser Geräte durch einen reduzierten CO2-Fußabdruck erreicht werden. Darüber hinaus können Recyclingmagnete durch einen reduzierten Energieverbrauch und reduzierte Rohstoffkosten die Produktionskosten von Produkten senken, welche Permanentmagnete nutzen.