Tilbereder et ledende alternativ til kobber med aluminium

I elektricitetens verden er kobber kongen - for nu. Det kan ændre sig med ny forskning fra Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), der serverer en opskrift til at øge ledningsevnen af ​​aluminium, hvilket gør det økonomisk konkurrencedygtigt med kobber. Denne forskning åbner døren til eksperimenter, der - hvis de bliver fuldt realiserede - kan føre til et ultraledende aluminiumsalternativ til kobber, der ville være nyttigt på markeder ud over transmissionslinjer, revolutionerende køretøjer, elektronik og elnettet.

"Hvad hvis du kunne gøre aluminium mere ledende - endda 80% eller 90% så ledende som kobber? Du kunne erstatte kobber, og det ville gøre en enorm forskel, fordi mere ledende aluminium er lettere, billigere og mere rigeligt," sagde Keerti Kappagantula, PNNL-materialeforsker og medforfatter til forskningen. "Det er det store problem, som vi forsøger at løse."

Kobber vs. aluminium

Efterspørgslen efter kobber overgår hurtigt dens nuværende tilgængelighed, hvilket øger omkostningerne. Kobber er en fantastisk elektrisk leder - det bruges i alt fra håndholdt elektronik til undervandstransmissionskabler, der driver internettet - men der er ingen udenom det faktum, at kobber bliver mindre tilgængeligt og dyrere. Disse udfordringer forventes kun at blive værre med det stigende antal elektriske køretøjer (EV'er), som har brug for dobbelt så meget kobber som traditionelle køretøjer. Derudover er kobber tungt, hvilket reducerer elbilernes effektivitet.

Aluminium er kun en tredjedel af prisen og vægten af ​​kobber, men det er kun omkring 60% som ledende. Aluminiums relativt lave ledningsevne kan være en begrænsning i nogle virkelige applikationer.

"Konduktivitet er nøglen, fordi en lettere ledning med tilsvarende ledning kan bruges til at designe lettere motorer og andre elektriske komponenter, så dit køretøj potentielt kan køre længere afstande," sagde Kappagantula. "Alt fra en bils elektronik til energiproduktion til at overføre den energi til dit hjem via nettet for at oplade din bils batteri - alt, der kører på elektricitet - det hele kan blive mere effektivt."

At øge aluminiums ledningsevne ville være en game-changer.

"I årevis troede vi, at metaller ikke kunne gøres mere ledende. Men det er ikke tilfældet," forklarede Kappagantula. "Hvis du ændrer metallets struktur og introducerer de rigtige tilsætningsstoffer, kan du faktisk påvirke dets egenskaber."

For at begynde at finde ud af, hvor meget aluminiums ledningsevne kunne øges, gik Kappangantula og PNNL post-doc-forsker Aditya Nittala sammen med den fremtrædende professor David Drabold og kandidatstuderende Kashi Subedi fra Ohio University for at identificere virkningerne af temperatur og strukturelle defekter i aluminiums ledningsevne og udvikle en atom-for-atom-opskrift for at øge dens ledningsevne.

En modelsucces

Denne type molekylær simulering var aldrig blevet lavet for metaller før, så forskerne måtte være kreative. De kiggede på halvledere for at få inspiration, fordi tidligere forskning med succes havde simuleret ledningsevne i disse siliciumbaserede materialer og nogle metaloxider. Holdet tilpassede disse koncepter til at arbejde med aluminium og simulerede, hvad der ville ske med metallets ledningsevne, hvis individuelle atomer i dets struktur blev fjernet eller omarrangeret. Disse små ændringer tilføjede store gevinster i den samlede ledningsevne.

Modellens evne til at simulere virkelige forhold overraskede selv holdet. "Vi troede ikke, at disse resultater ville være så tæt på virkeligheden," sagde Kappagantula. "Denne modelsimulering, der er baseret på atomstrukturen og dens forskellige tilstande, er så præcis - jeg tænkte:'Wow, det er lige i mål.' Det er meget spændende."

Med en teoretisk opskrift til at ændre metalledningsevne nu klar, planlægger forskerne at se, hvor meget de kan øge ledningsevnen af ​​aluminium i laboratoriet for at matche teori med eksperimentelle resultater. De undersøger også muligheden for at øge ledningsevnen af ​​andre metaller ved hjælp af de samme simuleringer.

Forskningen er publiceret i Physical Review B , og teamet forventer, at mere ledende aluminium ville have vidtrækkende konsekvenser - enhver applikation, der bruger elektricitet eller kobber, kan drage fordel af udviklingen af ​​prisbilligt, let, ultraledende aluminium. + Udforsk yderligere

"Bedre" kobber betyder højeffektive elektriske motorer