In de wereld van elektriciteit is koper voorlopig koning. Dat zou kunnen veranderen met nieuw onderzoek van Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) dat een recept biedt om de geleidbaarheid van aluminium te verhogen, waardoor het economisch concurrerend wordt met koper. Dit onderzoek opent de deur naar experimenten die - als ze volledig worden gerealiseerd - zouden kunnen leiden tot een ultrageleidend aluminiumalternatief voor koper dat nuttig zou zijn in markten die verder gaan dan transmissielijnen en die een revolutie teweegbrengen in voertuigen, elektronica en het elektriciteitsnet.

"Wat als je aluminium meer geleidend zou kunnen maken - zelfs 80% of 90% zo geleidend als koper? Je zou koper kunnen vervangen en dat zou een enorm verschil maken omdat meer geleidend aluminium lichter, goedkoper en overvloediger is", zegt Keerti Kappagantula, PNNL materiaalwetenschapper en co-auteur van het onderzoek. "Dat is het grote probleem dat we proberen op te lossen."

Koper versus aluminium

De vraag naar koper overtreft snel de huidige beschikbaarheid, waardoor de kosten stijgen. Koper is een geweldige elektrische geleider - het wordt in alles gebruikt, van draagbare elektronica tot transmissiekabels onder water die het internet van stroom voorzien - maar er is geen ontkomen aan dat koper steeds minder beschikbaar en duurder wordt. Deze uitdagingen zullen naar verwachting alleen maar groter worden met het stijgende aantal elektrische voertuigen (EV's), die twee keer zoveel koper nodig hebben als traditionele voertuigen. Bovendien is koper zwaar, wat de efficiëntie van EV's verlaagt.

Aluminium is slechts een derde van de prijs en het gewicht van koper, maar het is slechts ongeveer 60% geleidend. De relatief lage geleidbaarheid van aluminium kan een beperking zijn in sommige praktijktoepassingen.

"Geleidbaarheid is de sleutel omdat een lichtere draad met gelijkwaardige geleiding kan worden gebruikt om lichtere motoren en andere elektrische componenten te ontwerpen, zodat uw voertuig mogelijk langere afstanden kan afleggen", aldus Kappagantula. "Alles van de elektronica van een auto tot energieopwekking tot het via het elektriciteitsnet naar je huis sturen om de batterij van je auto op te laden - alles wat op elektriciteit werkt - het kan allemaal efficiënter worden."

Het verhogen van de geleidbaarheid van aluminium zou een game-changer zijn.

"Jarenlang dachten we dat metalen niet meer geleidend konden worden gemaakt, maar dat is niet het geval", legt Kappagantula uit. "Als je de structuur van het metaal verandert en de juiste toevoegingen toevoegt, kun je inderdaad de eigenschappen ervan beïnvloeden."

Om erachter te komen hoeveel aluminiumgeleidingsvermogen kan worden verhoogd, werkten Kappangantula en PNNL-postdoctoraal onderzoeker Aditya Nittala samen met Distinguished Professor David Drabold en afgestudeerde student Kashi Subedi van de Ohio University om de effecten van temperatuur en structurele defecten in aluminiumgeleiding te identificeren en een atoom-voor-atoom recept ontwikkelen om de geleidbaarheid te verhogen.

Een modellensucces

Dit type moleculaire simulatie was nog nooit eerder voor metalen gedaan, dus de onderzoekers moesten creatief zijn. Ze keken naar halfgeleiders voor inspiratie omdat eerder onderzoek met succes geleidbaarheid had gesimuleerd in deze op silicium gebaseerde materialen en sommige metaaloxiden. Het team paste deze concepten aan om met aluminium te werken en simuleerde wat er zou gebeuren met de geleidbaarheid van het metaal als individuele atomen in de structuur zouden worden verwijderd of herschikt. Deze kleine veranderingen zorgden voor grote winsten in de totale geleidbaarheid.

Het vermogen van het model om omstandigheden in de echte wereld te simuleren verraste zelfs het team. "We hadden niet gedacht dat deze resultaten zo dicht bij de realiteit zouden komen", zei Kappagantula. "Deze modelsimulatie die is gebaseerd op de atomaire structuur en zijn verschillende toestanden is zo nauwkeurig - ik dacht:'Wauw, dat is precies op schema.' Het is erg spannend."

Nu een theoretisch recept om de geleidbaarheid van metaal te veranderen duidelijk is, zijn de onderzoekers van plan om te zien hoeveel ze de geleidbaarheid van aluminium in het laboratorium kunnen verhogen om de theorie te matchen met experimentele resultaten. Ze onderzoeken ook de mogelijkheid om de geleidbaarheid van andere metalen te vergroten met dezelfde simulaties.

Het onderzoek is gepubliceerd in Physical Review B , en het team verwacht dat meer geleidend aluminium verstrekkende gevolgen zou hebben - elke toepassing die elektriciteit of koper gebruikt, zou kunnen profiteren van de ontwikkeling van betaalbaar, lichtgewicht, ultrageleidend aluminium. + Verder verkennen

"Beter" koper betekent elektromotoren met een hoger rendement