Nieuw composietmateriaal stimuleert de zoektocht naar geavanceerde elektrische voertuigen

Wetenschappers van het Oak Ridge National Laboratory gebruikten nieuwe technieken om een ​​composiet te maken dat de elektrische stroomcapaciteit van koperdraden vergroot, waardoor een nieuw materiaal ontstaat dat kan worden geschaald voor gebruik in ultra-efficiënte, krachtige tractiemotoren voor elektrische voertuigen.

Het onderzoek is gericht op het verminderen van belemmeringen voor een bredere acceptatie van elektrische voertuigen, inclusief het verlagen van de eigendomskosten en het verbeteren van de prestaties en levensduur van componenten zoals elektromotoren en vermogenselektronica. Het materiaal kan worden ingezet in elk onderdeel dat koper gebruikt, inclusief efficiëntere busbars en kleinere connectoren voor tractie-omvormers voor elektrische voertuigen, maar ook voor toepassingen zoals draadloze en bedrade oplaadsystemen.

Om een ​​lichter geleidend materiaal te produceren met verbeterde prestaties, hebben ORNL-onderzoekers koolstofnanobuisjes afgezet en uitgelijnd op platte koperen substraten, wat resulteerde in een metaal-matrix composietmateriaal met betere stroomafhandelingscapaciteit en mechanische eigenschappen dan alleen koper.

Het opnemen van koolstofnanobuisjes, of CNT’s, in een koperen matrix om de geleidbaarheid en mechanische prestaties te verbeteren, is geen nieuw idee. CNT’s zijn een uitstekende keuze vanwege hun lichtere gewicht, buitengewone sterkte en geleidende eigenschappen. Maar eerdere pogingen tot composieten door andere onderzoekers hebben geresulteerd in zeer korte materiaalengtes, slechts micrometers of millimeters, samen met beperkte schaalbaarheid, of in langere lengtes die slecht presteerden.

Het ORNL-team besloot te experimenteren met het deponeren van enkelwandige CNT’s met behulp van elektrospinning, een commercieel haalbare methode die vezels creëert terwijl een vloeistofstraal door een elektrisch veld stroomt. De techniek geeft controle over de structuur en oriëntatie van gedeponeerde materialen, legt Kai Li uit, een postdoctoraal onderzoeker bij ORNL’s Chemical Sciences Division. In dit geval stelde het proces wetenschappers in staat om de CNT’s met succes in één algemene richting te oriënteren om een ​​verbeterde stroom van elektriciteit te vergemakkelijken.

Het team gebruikte vervolgens magnetronsputteren, een vacuümcoatingtechniek, om dunne lagen koperfilm toe te voegen bovenop de met CNT gecoate kopertapes. De gecoate monsters werden vervolgens uitgegloeid in een vacuümoven om een ​​sterk geleidend Cu-CNT-netwerk te produceren door een dichte, uniforme koperlaag te vormen en diffusie van koper in de CNT-matrix mogelijk te maken.

Met behulp van deze methode creëerden ORNL-wetenschappers een composiet van koper-koolstof nanobuisjes van 10 centimeter lang en 4 centimeter breed, met uitzonderlijke eigenschappen. De microstructurele eigenschappen van het materiaal werden geanalyseerd met instrumenten van het Center for Nanophase Materials Sciences van ORNL, een gebruikersfaciliteit van het Amerikaanse Department of Energy Office of Science. Onderzoekers ontdekten dat de composiet een 14% grotere stroomcapaciteit bereikte, met tot 20% verbeterde mechanische eigenschappen in vergelijking met puur koper, zoals gedetailleerd in Door ACS toegepaste nanomaterialen.

Tolga Aytug, hoofdonderzoeker van het project, zei dat “door alle geweldige eigenschappen van koolstofnanobuisjes in een koperen matrix in te bedden, we streven naar een betere mechanische sterkte, een lager gewicht en een hogere stroomcapaciteit. Dan krijg je een betere geleider met minder vermogen. verlies, wat op zijn beurt de efficiëntie en prestatie van het apparaat verhoogt. Verbeterde prestatie betekent bijvoorbeeld dat we het volume kunnen verminderen en de vermogensdichtheid kunnen verhogen in geavanceerde motorsystemen. “

Het werk bouwt voort op een rijke geschiedenis van supergeleidingonderzoek bij ORNL, dat superieure materialen heeft geproduceerd om elektriciteit met lage weerstand te geleiden. De supergeleidende draadtechnologie van het laboratorium werd in licentie gegeven aan verschillende industriële leveranciers, waardoor toepassingen als elektrische transmissie met hoge capaciteit met minimale vermogensverliezen mogelijk waren.

Hoewel de nieuwe doorbraak in composiet directe implicaties heeft voor elektromotoren, zou het ook de elektrificatie kunnen verbeteren in toepassingen waar efficiëntie, massa en grootte een belangrijke metriek zijn, zei Aytug. De verbeterde prestatiekenmerken, bereikt met commercieel haalbare technieken, betekenen nieuwe mogelijkheden voor het ontwerpen van geavanceerde geleiders voor een breed scala aan elektrische systemen en industriële toepassingen, zei hij.

Het ORNL-team onderzoekt ook het gebruik van dubbelwandige CNT’s en andere afzettingstechnieken, zoals ultrasoon spuitcoaten in combinatie met een roll-to-roll-systeem om monsters van ongeveer 1 meter lang te produceren.

“Elektromotoren zijn in feite een combinatie van metalen – staallaminaten en koperen wikkelingen”, zegt Burak Ozpineci, manager van het ORNL Electric Drive Technologies-programma en leider van de groep Power Electronics and Electric Machinery. “Om te voldoen aan de doelstellingen en doelstellingen van DOE’s Vehicle Technologies Office voor elektrische voertuigen voor 2025, moeten we de vermogensdichtheid van de elektrische aandrijving verhogen en het aantal motoren 8 keer verkleinen, en dat betekent verbetering van de materiaaleigenschappen.”