Gli scienziati dell'Oak Ridge National Laboratory hanno utilizzato nuove tecniche per creare un composito che aumenta la capacità di corrente elettrica dei fili di rame, fornendo un nuovo materiale che può essere ridimensionato per l'uso in ultra-efficiente, motori di trazione per veicoli elettrici ad alta densità di potenza.

La ricerca è finalizzata a ridurre le barriere a una più ampia adozione di veicoli elettrici, compresa la riduzione dei costi di proprietà e il miglioramento delle prestazioni e della durata di componenti come motori elettrici ed elettronica di potenza. Il materiale può essere distribuito in qualsiasi componente che utilizzi rame, tra cui sbarre collettrici più efficienti e connettori più piccoli per inverter di trazione per veicoli elettrici, così come per applicazioni come sistemi di ricarica wireless e cablati.

Per produrre un materiale conduttivo più leggero con prestazioni migliorate, I ricercatori dell'ORNL hanno depositato e allineato nanotubi di carbonio su substrati piatti di rame, risultando in un materiale composito a matrice metallica con una migliore capacità di gestione della corrente e proprietà meccaniche rispetto al solo rame.

Incorporando nanotubi di carbonio, o CNT, in una matrice di rame per migliorare la conduttività e le prestazioni meccaniche non è un'idea nuova. I CNT sono una scelta eccellente grazie al loro peso più leggero, straordinaria forza e proprietà conduttive. Ma i tentativi passati di compositi da parte di altri ricercatori hanno portato a lunghezze di materiale molto brevi, solo micrometri o millimetri, insieme a una scalabilità limitata, o in lunghezze più lunghe che hanno funzionato male.

Il team ORNL ha deciso di sperimentare il deposito di CNT a parete singola utilizzando l'elettrofilatura, un metodo commercialmente valido che crea fibre come un getto di liquido che attraversa un campo elettrico. La tecnica fornisce il controllo sulla struttura e l'orientamento dei materiali depositati, ha spiegato Kai Li, un ricercatore post-dottorato nella divisione di scienze chimiche dell'ORNL. In questo caso, il processo ha permesso agli scienziati di orientare con successo i CNT in una direzione generale per facilitare un flusso maggiore di elettricità.

Il team ha quindi utilizzato lo sputtering del magnetron, una tecnica di rivestimento sottovuoto, per aggiungere strati sottili di pellicola di rame sopra i nastri di rame rivestiti con CNT. I campioni rivestiti sono stati quindi ricotti in un forno a vuoto per produrre una rete Cu-CNT altamente conduttiva formando un denso, strato di rame uniforme e per consentire la diffusione del rame nella matrice CNT.

Usando questo metodo, Gli scienziati dell'ORNL hanno creato un composito di nanotubi di rame-carbonio lungo 10 centimetri e largo 4 centimetri, con proprietà eccezionali. Le proprietà microstrutturali del materiale sono state analizzate utilizzando strumenti presso il Center for Nanophase Materials Sciences dell'ORNL, una struttura per gli utenti dell'Ufficio delle scienze del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti. I ricercatori hanno scoperto che il composito ha raggiunto il 14% in più di capacità attuale, con proprietà meccaniche migliorate fino al 20% rispetto al rame puro, come dettagliato in Nanomateriali applicati ACS .

Tolga Aytug, investigatore capo del progetto, ha affermato che "incorporando tutte le grandi proprietà dei nanotubi di carbonio in una matrice di rame, puntiamo a una migliore resistenza meccanica, peso più leggero e maggiore capacità di corrente. Quindi ottieni un conduttore migliore con una minore perdita di potenza, che a sua volta aumenta l'efficienza e le prestazioni del dispositivo. Prestazione migliorata, ad esempio, significa che possiamo ridurre il volume e aumentare la densità di potenza nei sistemi di motori avanzati."

Il lavoro si basa su una ricca storia di ricerca sulla superconduttività presso l'ORNL, che ha prodotto materiali superiori per condurre elettricità con bassa resistenza. La tecnologia del filo superconduttivo del laboratorio è stata concessa in licenza a diversi fornitori del settore, consentendo usi come la trasmissione elettrica ad alta capacità con perdite di potenza minime.

Mentre la nuova svolta in composito ha implicazioni dirette per i motori elettrici, potrebbe anche migliorare l'elettrificazione in applicazioni in cui l'efficienza, massa e dimensione sono una metrica chiave, disse Aytug. Le caratteristiche prestazionali migliorate, realizzato con tecniche commercialmente valide, significa nuove possibilità per la progettazione di conduttori avanzati per un'ampia gamma di sistemi elettrici e applicazioni industriali, Egli ha detto.

Il team ORNL sta anche esplorando l'uso di CNT a doppia parete e altre tecniche di deposizione come il rivestimento a spruzzo ad ultrasuoni accoppiato con un sistema roll-to-roll per produrre campioni di circa 1 metro di lunghezza.

"I motori elettrici sono fondamentalmente una combinazione di metalli:lamierini in acciaio e avvolgimenti in rame, " ha osservato Burak Ozpineci, manager del programma ORNL Electric Drive Technologies e leader del gruppo Power Electronics and Electric Machinery. "Per soddisfare gli obiettivi e gli obiettivi dei veicoli elettrici 2025 dell'Ufficio per le tecnologie dei veicoli del DOE, dobbiamo aumentare la densità di potenza dell'azionamento elettrico e ridurre il volume dei motori di 8 volte, e questo significa migliorare le proprietà dei materiali."