Forskare vid Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) har ökat ledningsförmågan hos koppartråd med cirka fem procent. Det kan tyckas som en liten mängd men det kan göra stor skillnad i motoreffektivitet. Högre konduktivitet innebär också att mindre koppar behövs för samma effektivitet, som kan minska vikten och volymen på olika komponenter som förväntas driva våra framtida elbilar.

Laboratoriet samarbetade med General Motors för att testa koppartråden som används för att användas i fordonets motorkomponenter. Som en del av ett kostnadsdelat forskningsprojekt, laget validerade den ökade konduktiviteten och fann att den också har högre duktilitet - förmågan att sträcka sig längre innan den går sönder. I andra fysiska egenskaper, det uppförde sig precis som vanligt koppar så det kan svetsas och utsättas för andra mekaniska påfrestningar utan att prestandan försämras. Detta innebär att inga specialiserade tillverkningsmetoder är nödvändiga för att montera motorer - bara den nya avancerade PNNL -kopparkompositen.

Tekniken kan gälla alla branscher som använder koppar för att flytta elektrisk energi, inklusive kraftöverföring, elektronik, trådlösa laddare, elektriska motorer, generatorer, havskablar, och batterier.

Med en ny, patenterad och patentsökt tillverkningsplattform utvecklad vid PNNL -forskare lade till grafen - en mycket ledande, nanotunt ark med kolatomer-till koppar och tillverkad tråd. Ökningen i konduktivitet jämfört med ren koppar möjliggörs av en första i sitt slag som kombinerar och extruderar metall och kompositmaterial, inklusive koppar.

Skjuvinspiration

PNNLs SHAPE -process kan förbättra prestanda för material som extruderas genom processen. SHAPE står för Shear Assisted Processing and Extrusion. Oppositionell, eller skjuvning, kraft appliceras genom att rotera en metall eller komposit när den skjuts genom en munstycke för att skapa en ny form. Denna roman, energieffektivt tillvägagångssätt skapar intern uppvärmning genom att deformera metallen, som mjukar upp det och låter det bildas till trådar, rör, och barer.

"SHAPE är den första processen som har uppnått förbättrad konduktivitet i koppar i bulkskala, vilket betyder att den kan producera material i en storlek och format som industrin för närvarande använder, som trådar och stänger, "sa Glenn Grant, huvudutredare. "Fördelen med att tillsätta grafen till koppar har undersökts tidigare, men dessa ansträngningar har främst fokuserat på tunna filmer eller skiktade strukturer som är extremt kostsamma och tidskrävande att göra. ShAPE-processen är den första demonstrationen av en betydande konduktivitetsförbättring i en koppar-grafenkomposit tillverkad av en verkligt skalbar process. "

Avgiften:metaller med hög konduktivitet för elfordon

Enligt en amerikansk energidepartementrapport från 2018 om elfordon, det finns ett behov av förbättrad motoreffektivitet för att öka effekttätheten för elfordon. Dessutom, komponenter måste passa in i allt mindre utrymmen i fordonet. Men att minska motorvolymen begränsas av de material som används i nuvarande elfordon och begränsningar av elektrisk konduktivitet hos kopparlindningar.

Att tillsätta grafen till koppar har visat sig svårt eftersom tillsatserna inte blandas jämnt, skapa klumpar och porutrymmen i strukturen. Men SHAPE -processen eliminerar porutrymmen samtidigt som tillsatsen fördelas jämnt i metallen, vilket kan vara orsaken till förbättrad elektrisk konduktivitet.

"SHAPEs enhetliga spridning av grafen är anledningen till att det bara behövs mycket små mängder tillsats - cirka sex delar per miljon grafenflingor - för att få en väsentlig förbättring med 5 procent i konduktivitet, "sade PNNL -materialforskaren Keerti Kappagantula." Andra metoder kräver stora mängder grafen, vilket är väldigt dyrt att göra, och har fortfarande inte närmat oss den höga konduktivitet som vi har visat i stor skala. "

General Motors forsknings- och utvecklingsingenjörer verifierade att koppartråd med högre konduktivitet kan svetsas, lödda, och formad på exakt samma sätt som konventionell koppartråd. Detta indikerar sömlös integration med befintliga motorproduktionsprocesser.

"För ytterligare lätta motorer, framsteg i material är det nya paradigmet, "sade Darrell Herling från PNNL:s energiprocesser och materialavdelning." Högre konduktivitet koppar kan vara ett störande tillvägagångssätt för lättare och/eller ökad effektivitet för alla elmotorer eller trådlösa laddningssystem. "