Nyt kompositmateriale øger forfølgelsen af ​​avancerede elektriske køretøjer

Forskere ved Oak Ridge National Laboratory brugte nye teknikker til at skabe en komposit, der øger den elektriske strømkapacitet af kobbertråde, leverer et nyt materiale, der kan skaleres til brug i ultraeffektive, krafttætte trækkraftmotorer til elektriske køretøjer.

Forskningen er rettet mod at reducere barrierer for bredere adoption af elektriske køretøjer, herunder at reducere ejeromkostningerne og forbedre ydeevnen og levetiden for komponenter såsom elektriske motorer og kraftelektronik. Materialet kan anvendes i enhver komponent, der bruger kobber, herunder mere effektive samleskinner og mindre konnektorer til trækkraftinvertere til elektriske køretøjer, samt til applikationer som trådløse og kablede opladningssystemer.

For at producere et lettere ledende materiale med forbedret ydeevne, ORNL-forskere deponerede og justerede kulstofnanorør på flade kobbersubstrater, hvilket resulterer i et metal-matrix-kompositmateriale med bedre strømhåndteringskapacitet og mekaniske egenskaber end kobber alene.

Inkorporerer kulstof nanorør, eller CNT'er, ind i en kobbermatrix for at forbedre ledningsevnen og den mekaniske ydeevne er ikke en ny idé. CNT'er er et fremragende valg på grund af deres lettere vægt, ekstraordinær styrke og ledende egenskaber. Men tidligere forsøg på kompositter fra andre forskere har resulteret i meget korte materialelængder, kun mikrometer eller millimeter, sammen med begrænset skalerbarhed, eller i længere længder, der klarede sig dårligt.

ORNL-holdet besluttede at eksperimentere med at deponere enkeltvæggede CNT'er ved hjælp af elektrospinning, en kommercielt levedygtig metode, der skaber fibre som en stråle af væske hastigheder gennem et elektrisk felt. Teknikken giver kontrol over strukturen og orienteringen af ​​aflejrede materialer, forklarede Kai Li, en postdoc-forsker i ORNL's Chemical Sciences Division. I dette tilfælde, processen gjorde det muligt for videnskabsmænd at orientere CNT'erne i én generel retning for at lette øget strøm af elektricitet.

Holdet brugte derefter magnetronforstøvning, en vakuumbelægningsteknik, at tilføje tynde lag kobberfilm oven på de CNT-belagte kobbertape. De coatede prøver blev derefter udglødet i en vakuumovn for at producere et stærkt ledende Cu-CNT-netværk ved at danne en tæt, ensartet kobberlag og for at tillade diffusion af kobber ind i CNT-matrixen.

Ved at bruge denne metode, ORNL-forskere skabte en kobber-kulstof nanorør-komposit 10 centimeter lang og 4 centimeter bred, med enestående egenskaber. Materialets mikrostrukturelle egenskaber blev analyseret ved hjælp af instrumenter ved Center for Nanophase Materials Sciences ved ORNL, en brugerfacilitet hos US Department of Energy Office of Science. Forskere fandt ud af, at kompositten nåede 14% større strømkapacitet, med op til 20 % forbedrede mekaniske egenskaber sammenlignet med rent kobber, som beskrevet i ACS anvendte nanomaterialer .

Tolga Aytug, ledende efterforsker for projektet, sagde, at "ved at indlejre alle kulstofnanorørs store egenskaber i en kobbermatrix, vi sigter efter bedre mekanisk styrke, lettere vægt og højere strømkapacitet. Så får du en bedre leder med mindre strømtab, hvilket igen øger effektiviteten og ydeevnen af ​​enheden. Forbedret ydeevne, for eksempel, betyder, at vi kan reducere volumen og øge effekttætheden i avancerede motorsystemer."

Arbejdet bygger på en rig historie af superledningsforskning på ORNL, som har produceret overlegne materialer til at lede elektricitet med lav modstand. Laboratoriets superledende ledningsteknologi blev licenseret til flere industrileverandører, muliggør sådanne anvendelser som højkapacitets elektrisk transmission med minimale effekttab.

Mens det nye sammensatte gennembrud har direkte konsekvenser for elektriske motorer, det kunne også forbedre elektrificeringen i applikationer, hvor effektivitet, masse og størrelse er et nøglemål, sagde Aytug. De forbedrede ydeevneegenskaber, opnået med kommercielt levedygtige teknikker, betyder nye muligheder for at designe avancerede ledere til en bred vifte af elektriske systemer og industrielle applikationer, han sagde.

ORNL-teamet udforsker også brugen af ​​dobbeltvæggede CNT'er og andre aflejringsteknikker såsom ultralydsspraybelægning kombineret med et rulle-til-rulle-system for at producere prøver på omkring 1 meter i længden.

"Elektriske motorer er dybest set en kombination af metaller - stållamineringer og kobberviklinger, " bemærkede Burak Ozpineci, leder af ORNL Electric Drive Technologies Program og leder af Power Electronics and Electric Machinery-gruppen. "For at opfylde DOE's Vehicle Technologies Office's 2025 elbilmål og mål, vi skal øge strømtætheden af ​​det elektriske drev og reducere volumen af ​​motorer med 8 gange, og det betyder forbedring af materialeegenskaber."