Los investigadores del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) han aumentado la conductividad del alambre de cobre en aproximadamente un cinco por ciento. Puede parecer una cantidad pequeña, pero puede marcar una gran diferencia en la eficiencia del motor. Una conductividad más alta también significa que se necesita menos cobre para la misma eficiencia, lo que puede reducir el peso y el volumen de varios componentes que se espera que alimenten nuestros futuros vehículos eléctricos.

El laboratorio se asoció con General Motors para probar el alambre de cobre mejorado para su uso en componentes de motores de vehículos. Como parte de un proyecto de investigación de costos compartidos, el equipo validó el aumento de conductividad y descubrió que también tiene una mayor ductilidad:la capacidad de estirarse más antes de romperse. En otras propiedades físicas, se comportó como el cobre normal, por lo que puede soldarse y someterse a otras tensiones mecánicas sin degradación del rendimiento. Esto significa que no se necesitan métodos de fabricación especializados para ensamblar motores, solo el nuevo compuesto avanzado de cobre PNNL.

La tecnología puede aplicarse a cualquier industria que utilice cobre para mover energía eléctrica, incluida la transmisión de potencia, electrónica, cargadores inalámbricos, motor electrico, generadores, cables submarinos, y pilas.

Usando un nuevo, plataforma de fabricación patentada y pendiente de patente desarrollada en PNNL, los investigadores agregaron grafeno, un Lámina nanodelgada de átomos de carbono:cobre y alambre producido. El aumento de la conductividad en comparación con el cobre puro es posible gracias a una máquina única en su tipo que combina y extruye metales y materiales compuestos. incluido el cobre.

Inspiración de cizalla

El proceso ShAPE de PNNL puede mejorar el rendimiento de los materiales extruidos a través del proceso. ShAPE son las siglas de Extrusión y Procesamiento Asistido por Cizallamiento. Oposicional, o cizalla, La fuerza se aplica girando un metal o compuesto a medida que se empuja a través de un troquel para crear una nueva forma. Esta novela, El enfoque de eficiencia energética crea un calentamiento interno al deformar el metal, que lo ablanda y le permite formar alambres, tubos, y bares.

"ShAPE es el primer proceso que ha logrado una conductividad mejorada en el cobre a granel, lo que significa que puede producir materiales en un tamaño y formato que la industria utiliza actualmente, como alambres y rejas, "dijo Glenn Grant, investigador principal. "El beneficio de agregar grafeno al cobre se ha investigado antes, pero estos esfuerzos se han centrado principalmente en películas delgadas o estructuras en capas que son extremadamente costosas y requieren mucho tiempo de fabricar. El proceso ShAPE es la primera demostración de una mejora considerable de la conductividad en compuestos de cobre y grafeno fabricados mediante un proceso verdaderamente escalable ".

La carga:metales de alta conductividad para vehículos eléctricos

Según un informe del Departamento de Energía de EE. UU. De 2018 sobre vehículos eléctricos, Existe la necesidad de mejorar la eficiencia del motor para aumentar la densidad de potencia de los vehículos eléctricos. Adicionalmente, Los componentes deben encajar en espacios cada vez más pequeños disponibles en el vehículo. Pero la reducción del volumen del motor está limitada por los materiales utilizados en los vehículos eléctricos actuales y las limitaciones de conductividad eléctrica de los devanados de cobre.

La adición de grafeno al cobre ha resultado difícil porque los aditivos no se mezclan uniformemente, creando grumos y espacios porosos dentro de la estructura. Pero el proceso ShAPE elimina los espacios porosos al mismo tiempo que distribuye los aditivos dentro del metal de manera uniforme, que puede ser la razón de una conductividad eléctrica mejorada.

"La dispersión uniforme del grafeno de ShAPE es la razón por la que solo se necesitan cantidades realmente pequeñas de aditivo, alrededor de seis partes por millón de escamas de grafeno, para obtener una mejora sustancial del 5 por ciento en la conductividad". "dijo el científico de materiales de PNNL Keerti Kappagantula." Otros métodos requieren grandes cantidades de grafeno, que es muy caro de hacer, y todavía no nos hemos acercado a la alta conductividad que hemos demostrado a gran escala ".

Los ingenieros de Investigación y Desarrollo de General Motors verificaron que el alambre de cobre de mayor conductividad se puede soldar, soldado y formado exactamente de la misma manera que el alambre de cobre convencional. Esto indica una integración perfecta con los procesos de fabricación de motores existentes.

"Para promover motores ligeros, los avances en materiales es el nuevo paradigma, "Dijo Darrell Herling de la División de Materiales y Procesos de Energía de PNNL." El cobre de alta conductividad podría ser un enfoque disruptivo para aligerar y / o aumentar la eficiencia de cualquier motor eléctrico o sistema de carga de vehículos inalámbricos ".