Onderzoekers van het Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) hebben de geleidbaarheid van koperdraad met ongeveer vijf procent verhoogd. Dat lijkt misschien een kleine hoeveelheid, maar het kan een groot verschil maken in motorefficiëntie. Hogere geleidbaarheid betekent ook dat er minder koper nodig is voor hetzelfde rendement, die het gewicht en het volume kunnen verminderen van verschillende componenten die naar verwachting onze toekomstige elektrische voertuigen zullen aandrijven.

Het laboratorium werkte samen met General Motors om de opgevoerde koperdraad te testen voor gebruik in motoronderdelen van voertuigen. Als onderdeel van een onderzoeksproject met gedeelde kosten, het team valideerde de verhoogde geleidbaarheid en ontdekte dat het ook een hogere ductiliteit heeft - het vermogen om verder uit te rekken voordat het breekt. In andere fysieke eigenschappen, het gedroeg zich net als gewoon koper, dus het kan worden gelast en onderworpen aan andere mechanische spanningen zonder de prestaties te verminderen. Dit betekent dat er geen gespecialiseerde productiemethoden nodig zijn om motoren te assembleren - alleen het nieuwe geavanceerde PNNL-kopercomposiet.

De technologie kan van toepassing zijn op elke industrie die koper gebruikt om elektrische energie te verplaatsen, inclusief krachtoverbrenging, elektronica, draadloze laders, elektrische motoren, generatoren, onderzeese kabels, en batterijen.

Met behulp van een nieuwe, gepatenteerd en gepatenteerd productieplatform ontwikkeld door PNNL-onderzoekers voegden grafeen toe - een zeer geleidend, nanodunne laag koolstofatomen - tot koper en geproduceerde draad. De toename van de geleidbaarheid in vergelijking met puur koper wordt mogelijk gemaakt door een eerste in zijn soort machine die metaal en composietmaterialen combineert en extrudeert, inclusief koper.

Inspiratie scheren

Het ShAPE-proces van PNNL kan de prestaties van materialen die tijdens het proces worden geëxtrudeerd, verbeteren. ShAPE staat voor Shear Assisted Processing and Extrusion. oppositioneel, of scheren, kracht wordt uitgeoefend door een metaal of composiet te roteren terwijl het door een matrijs wordt geduwd om een ​​nieuwe vorm te creëren. deze roman, energie-efficiënte aanpak creëert interne verwarming door het metaal te vervormen, waardoor het zachter wordt en het zich tot draden kan vormen, buizen, en bars.

"ShAPE is het eerste proces dat een verbeterde geleidbaarheid in koper op bulkschaal heeft bereikt, wat betekent dat het materialen kan produceren in een formaat en formaat dat de industrie momenteel gebruikt, zoals draden en staven, " zei Glenn Grant, hoofdonderzoeker. "Het voordeel van het toevoegen van grafeen aan koper is al eerder onderzocht, maar deze inspanningen waren voornamelijk gericht op dunne films of gelaagde structuren die extreem duur en tijdrovend zijn om te maken. Het ShAPE-proces is de eerste demonstratie van een aanzienlijke verbetering van de geleidbaarheid in een koper-grafeencomposieten gemaakt door een echt schaalbaar proces."

De lading:hooggeleidende metalen voor elektrische voertuigen

Volgens een rapport van het Amerikaanse ministerie van Energie uit 2018 over elektrische voertuigen, er is behoefte aan een verbeterde motorefficiëntie om de vermogensdichtheid voor elektrische voertuigen te vergroten. Aanvullend, componenten moeten passen in steeds kleinere beschikbare ruimtes in het voertuig. Maar het verminderen van het motorvolume wordt beperkt door de materialen die worden gebruikt in de huidige elektrische voertuigen en de beperkingen van de elektrische geleidbaarheid van koperen wikkelingen.

Het toevoegen van grafeen aan koper is moeilijk gebleken omdat de additieven niet uniform mengen, het creëren van klonten en porieruimten binnen de structuur. Maar het ShAPE-proces elimineert porieruimten en verdeelt tegelijkertijd de additieven in het metaal gelijkmatig, wat de reden kan zijn voor een verbeterde elektrische geleidbaarheid.

"ShAPE's uniforme dispersie van het grafeen is de reden dat er maar heel kleine hoeveelheden additief nodig zijn - ongeveer zes delen per miljoen grafeenvlokken - om een ​​substantiële verbetering van 5 procent in geleidbaarheid te krijgen, " zei materiaalwetenschapper Keerti Kappagantula van PNNL. "Andere methoden vereisen grote hoeveelheden grafeen, wat erg duur is om te maken, en nog steeds niet de hoge geleidbaarheid hebben bereikt die we op grote schaal hebben aangetoond."

De ingenieurs van General Motors Research and Development hebben geverifieerd dat koperdraad met een hogere geleidbaarheid kan worden gelast, gesoldeerd, en gevormd op precies dezelfde manier als conventioneel koperdraad. Dit duidt op naadloze integratie met bestaande motorproductieprocessen.

"Om lichtgewicht motoren verder te ontwikkelen, vooruitgang in materialen is het nieuwe paradigma, "Zei Darrell Herling van PNNL's Energy Processes and Materials Division. "Hoger geleidend koper zou een ontwrichtende benadering kunnen zijn voor het lichter maken en/of het verhogen van de efficiëntie voor elke elektrische motor of draadloos oplaadsysteem voor voertuigen."