Aluminium är bara en tredjedel av priset och vikten av koppar, men det är bara cirka 60 % lika ledande. Aluminiums relativt låga konduktivitet kan vara en begränsning i vissa verkliga tillämpningar. Kredit:Shannon Colson | Pacific Northwest National Laboratory
I elektricitetens värld är koppar kungen – för nu. Det kan förändras med ny forskning från Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) som erbjuder ett recept för att öka ledningsförmågan hos aluminium, vilket gör det ekonomiskt konkurrenskraftigt med koppar. Denna forskning öppnar dörren till experiment som – om de genomförs fullt ut – skulle kunna leda till ett ultraledande aluminiumalternativ till koppar som skulle vara användbart på marknader bortom transmissionsledningar, revolutionerande fordon, elektronik och elnätet.
"Tänk om du kunde göra aluminium mer ledande - till och med 80% eller 90% lika ledande som koppar? Du kan ersätta koppar och det skulle göra en enorm skillnad eftersom mer ledande aluminium är lättare, billigare och mer rikligt", säger Keerti Kappagantula. PNNL materialforskare och medförfattare till forskningen. "Det är det stora problemet som vi försöker lösa."
Koppar vs. aluminium
Efterfrågan på koppar överstiger snabbt dess nuvarande tillgänglighet, vilket driver upp kostnaden. Koppar är en bra elektrisk ledare – den används i allt från handhållen elektronik till undervattensöverföringskablar som driver internet – men det går inte att undgå det faktum att koppar blir mindre tillgänglig och dyrare. Dessa utmaningar förväntas bara bli värre med det ökande antalet elfordon (EV), som behöver dubbelt så mycket koppar som traditionella fordon. Dessutom är koppar tung, vilket drar ner elbilens effektivitet.
Aluminium är bara en tredjedel av priset och vikten av koppar, men det är bara cirka 60 % lika ledande. Aluminiums relativt låga konduktivitet kan vara en begränsning i vissa verkliga tillämpningar.
"Konduktivitet är nyckeln eftersom en lättare tråd med likvärdig ledning kan användas för att designa lättare motorer och andra elektriska komponenter, så att ditt fordon potentiellt kan åka längre sträckor", säger Kappagantula. "Allt från en bils elektronik till energigenerering till att överföra den energin till ditt hem via nätet för att ladda bilens batteri - allt som går på el - allt kan bli mer effektivt."
Att öka aluminiums konduktivitet skulle vara en spelomvandlare.
"I åratal trodde vi att metaller inte kunde göras mer ledande. Men det är inte fallet", förklarade Kappagantula. "Om du ändrar metallens struktur och introducerar rätt tillsatser kan du verkligen påverka dess egenskaper."
För att börja ta reda på hur mycket aluminiumledningsförmåga som skulle kunna ökas, gick Kappangantula och PNNL postdoktor Aditya Nittala ihop med den framstående professor David Drabold och doktorand Kashi Subedi vid Ohio University för att identifiera effekterna av temperatur och strukturella defekter i aluminiumledningsförmåga och utveckla ett atom-för-atom-recept för att öka dess ledningsförmåga.
En modellframgång
Den här typen av molekylär simulering hade aldrig gjorts för metaller tidigare, så forskarna var tvungna att vara kreativa. De tittade på halvledare för inspiration eftersom tidigare forskning framgångsrikt hade simulerat konduktivitet i dessa kiselbaserade material och vissa metalloxider. Teamet anpassade dessa koncept för att arbeta med aluminium och simulerade vad som skulle hända med metallens ledningsförmåga om enskilda atomer i dess struktur togs bort eller ordnas om. Dessa små förändringar ledde till stora vinster i total konduktivitet.
Modellens förmåga att simulera verkliga förhållanden överraskade även teamet. "Vi trodde inte att dessa resultat skulle vara så nära verkligheten," sa Kappagantula. "Den här modellsimuleringen som är baserad på den atomära strukturen och dess olika tillstånd är så exakt - jag tänkte "Wow, det är rätt i målet." Det är väldigt spännande."
Med ett teoretiskt recept för att ändra metallledningsförmåga nu klart, planerar forskarna att se hur mycket de kan öka ledningsförmågan hos aluminium i laboratoriet för att matcha teori med experimentella resultat. De undersöker också möjligheten att öka ledningsförmågan hos andra metaller med samma simuleringar.
Forskningen publiceras i Physical Review B , och teamet förväntar sig att mer ledande aluminium skulle ha långtgående konsekvenser – alla applikationer som använder elektricitet eller koppar kan dra nytta av utvecklingen av prisvärd, lätt, ultraledande aluminium. + Utforska vidare
