Wetenschappers van het Oak Ridge National Laboratory gebruikten nieuwe technieken om een ​​composiet te maken die de elektrische stroomcapaciteit van koperdraden verhoogt, het verstrekken van een nieuw materiaal dat kan worden geschaald voor gebruik in ultra-efficiënte, krachtige tractiemotoren voor elektrische voertuigen.

Het onderzoek is gericht op het verminderen van belemmeringen voor een bredere acceptatie van elektrische voertuigen, inclusief het verlagen van de eigendomskosten en het verbeteren van de prestaties en levensduur van componenten zoals elektromotoren en vermogenselektronica. Het materiaal kan worden ingezet in elk onderdeel dat gebruik maakt van koper, inclusief efficiëntere busbars en kleinere connectoren voor tractie-omvormers voor elektrische voertuigen, evenals voor toepassingen zoals draadloze en bekabelde oplaadsystemen.

Om een ​​lichter geleidend materiaal te produceren met verbeterde prestaties, ORNL-onderzoekers hebben koolstofnanobuisjes afgezet en uitgelijnd op platte koperen substraten, resulterend in een metaal-matrix composietmateriaal met een betere stroomverwerkingscapaciteit en mechanische eigenschappen dan alleen koper.

Met koolstofnanobuisjes, of CNT's, in een koperen matrix om de geleidbaarheid en mechanische prestaties te verbeteren is geen nieuw idee. CNT's zijn een uitstekende keuze vanwege hun lichtere gewicht, buitengewone sterkte en geleidende eigenschappen. Maar eerdere pogingen tot composieten door andere onderzoekers hebben geleid tot zeer korte materiaallengtes, alleen micrometers of millimeters, samen met beperkte schaalbaarheid, of in langere lengtes die slecht presteerden.

Het ORNL-team besloot te experimenteren met het afzetten van enkelwandige CNT's met behulp van elektrospinning, een commercieel haalbare methode die vezels creëert terwijl een vloeistofstraal door een elektrisch veld snelt. De techniek geeft controle over de structuur en oriëntatie van gedeponeerde materialen, legde Kai Li uit, een postdoctoraal onderzoeker bij de afdeling Chemische Wetenschappen van ORNL. In dit geval, het proces stelde wetenschappers in staat om de CNT's met succes in één algemene richting te oriënteren om een ​​verbeterde stroom van elektriciteit te vergemakkelijken.

Het team gebruikte vervolgens magnetron sputteren, een vacuümcoatingtechniek, om dunne lagen koperfilm toe te voegen bovenop de CNT-gecoate kopertapes. De gecoate monsters werden vervolgens uitgegloeid in een vacuümoven om een ​​sterk geleidend Cu-CNT-netwerk te produceren door een dichte, uniforme koperlaag en om diffusie van koper in de CNT-matrix mogelijk te maken.

Met behulp van deze methode, ORNL-wetenschappers hebben een koper-koolstof nanobuiscomposiet gemaakt van 10 centimeter lang en 4 centimeter breed, met uitzonderlijke eigenschappen. De microstructurele eigenschappen van het materiaal werden geanalyseerd met behulp van instrumenten in het Center for Nanophase Materials Sciences bij ORNL, een gebruikersfaciliteit van het Amerikaanse Department of Energy Office of Science. Onderzoekers ontdekten dat de composiet 14% meer stroomcapaciteit bereikte, met tot 20% verbeterde mechanische eigenschappen in vergelijking met puur koper, zoals gedetailleerd in ACS toegepaste nanomaterialen .

Tolga Aytug, hoofdonderzoeker voor het project, zei dat "door alle geweldige eigenschappen van koolstofnanobuisjes in te bedden in een koperen matrix, we streven naar een betere mechanische sterkte, lichter gewicht en hogere stroomcapaciteit. Dan krijg je een betere geleider met minder vermogensverlies, wat op zijn beurt de efficiëntie en prestaties van het apparaat verhoogt. Verbeterde prestatie, bijvoorbeeld, betekent dat we het volume kunnen verminderen en de vermogensdichtheid in geavanceerde motorsystemen kunnen verhogen."

Het werk bouwt voort op een rijke geschiedenis van supergeleidingsonderzoek bij ORNL, die superieure materialen heeft geproduceerd om elektriciteit met een lage weerstand te geleiden. De supergeleidende draadtechnologie van het lab werd in licentie gegeven aan verschillende industriële leveranciers, toepassingen mogelijk maken zoals elektrische transmissie met hoge capaciteit met minimale vermogensverliezen.

Hoewel de nieuwe doorbraak in composieten directe gevolgen heeft voor elektromotoren, het zou ook de elektrificatie kunnen verbeteren in toepassingen waar efficiëntie, massa en grootte zijn een belangrijke maatstaf, zei Aytug. De verbeterde prestatiekenmerken, bereikt met commercieel haalbare technieken, betekent nieuwe mogelijkheden voor het ontwerpen van geavanceerde geleiders voor een breed scala aan elektrische systemen en industriële toepassingen, hij zei.

Het ORNL-team onderzoekt ook het gebruik van dubbelwandige CNT's en andere depositietechnieken zoals ultrasone spraycoating in combinatie met een roll-to-roll-systeem om monsters van ongeveer 1 meter lang te produceren.

"Elektromotoren zijn in feite een combinatie van metalen - stalen lamellen en koperen wikkelingen, " merkte Burak Ozpineci op, manager van het ORNL Electric Drive Technologies-programma en leider van de groep Power Electronics and Electric Machinery. "Om te voldoen aan de doelstellingen en doelen voor elektrische voertuigen van DOE's Vehicle Technologies Office voor 2025, we moeten de vermogensdichtheid van de elektrische aandrijving verhogen en het volume van de motoren 8 keer verminderen, en dat betekent het verbeteren van materiaaleigenschappen."