I ricercatori del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) hanno aumentato la conduttività del filo di rame di circa il cinque percento. Può sembrare una piccola quantità, ma può fare una grande differenza nell'efficienza del motore. Una maggiore conduttività significa anche che è necessario meno rame per la stessa efficienza, che può ridurre il peso e il volume dei vari componenti che dovrebbero alimentare i nostri futuri veicoli elettrici.

Il laboratorio ha collaborato con General Motors per testare il filo di rame truccato da utilizzare nei componenti dei motori dei veicoli. Nell'ambito di un progetto di ricerca a compartecipazione finanziaria, il team ha convalidato l'aumento della conduttività e ha scoperto che ha anche una maggiore duttilità, la capacità di allungarsi ulteriormente prima che si rompa. In altre proprietà fisiche, si è comportato proprio come il rame normale, quindi può essere saldato e sottoposto ad altre sollecitazioni meccaniche senza alcun degrado delle prestazioni. Ciò significa che non sono necessari metodi di produzione specializzati per assemblare i motori, solo il nuovo composito di rame avanzato PNNL.

La tecnologia può essere applicata a qualsiasi industria che utilizza il rame per spostare l'energia elettrica, compresa la trasmissione di potenza, elettronica, caricabatterie senza fili, motori elettrici, generatori, cavi sottomarini, e batterie.

Utilizzando un nuovo, piattaforma di produzione brevettata e in attesa di brevetto sviluppata presso i ricercatori del PNNL ha aggiunto il grafene, un materiale altamente conduttivo, foglio nano-sottile di atomi di carbonio, al rame e al filo prodotto. L'aumento della conducibilità rispetto al rame puro è reso possibile da una macchina unica nel suo genere che combina ed estrude metalli e materiali compositi, compreso il rame.

Ispirazione al taglio

Il processo SHAPE di PNNL può migliorare le prestazioni dei materiali estrusi durante il processo. ShAPE è l'acronimo di Shear Assisted Processing and Extrusion. Oppositivo, o taglio, la forza viene applicata ruotando un metallo o un composito mentre viene spinto attraverso uno stampo per creare una nuova forma. Questo romanzo, l'approccio efficiente dal punto di vista energetico crea riscaldamento interno deformando il metallo, che lo ammorbidisce e gli permette di trasformarsi in fili, tubi, e bar.

"ShaPE è il primo processo che ha raggiunto una migliore conduttività nel rame su larga scala, il che significa che può produrre materiali in una dimensione e formato che l'industria utilizza attualmente, come fili e sbarre, " ha detto Glenn Grant, investigatore principale. "Il vantaggio dell'aggiunta di grafene al rame è stato studiato in precedenza, ma questi sforzi si sono concentrati principalmente su film sottili o strutture a strati che sono estremamente costosi e richiedono tempo da realizzare. Il processo ShAPE è la prima dimostrazione di un notevole miglioramento della conduttività in un composito rame-grafene realizzato con un processo veramente scalabile."

La carica:metalli ad alta conducibilità per veicoli elettrici

Secondo un rapporto del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti del 2018 sui veicoli elettrici, è necessario migliorare l'efficienza del motore per aumentare la densità di potenza per i veicoli elettrici. Inoltre, i componenti devono adattarsi a spazi sempre più ridotti disponibili nel veicolo. Ma la riduzione del volume del motore è limitata dai materiali utilizzati negli attuali veicoli elettrici e dai limiti di conduttività elettrica degli avvolgimenti in rame.

L'aggiunta di grafene al rame si è rivelata difficile perché gli additivi non si mescolano in modo uniforme, creando grumi e spazi dei pori all'interno della struttura. Ma il processo SHAPE elimina gli spazi dei pori distribuendo uniformemente gli additivi all'interno del metallo, che può essere la ragione per una migliore conduttività elettrica.

"La dispersione uniforme del grafene da parte di ShAPE è la ragione per cui sono necessarie solo piccole quantità di additivo - circa sei parti per milione di scaglie di grafene - per ottenere un sostanziale miglioramento del 5% della conduttività, " ha detto lo scienziato dei materiali PNNL Keerti Kappagantula. "Altri metodi richiedono grandi quantità di grafene, che è molto costoso da realizzare, e non ci siamo ancora avvicinati all'elevata conduttività che abbiamo dimostrato su larga scala".

Gli ingegneri di ricerca e sviluppo di General Motors hanno verificato che il filo di rame a maggiore conduttività può essere saldato, brasato, e formato esattamente allo stesso modo del filo di rame convenzionale. Ciò indica una perfetta integrazione con i processi di produzione dei motori esistenti.

"Per ulteriori motori leggeri, progressi nei materiali è il nuovo paradigma, " ha affermato Darrell Herling della divisione Energy Processes and Materials di PNNL. "Il rame a maggiore conduttività potrebbe essere un approccio dirompente all'alleggerimento e/o all'aumento dell'efficienza per qualsiasi motore elettrico o sistema di ricarica wireless per veicoli".