Los científicos del Laboratorio Nacional de Oak Ridge utilizaron nuevas técnicas para crear un compuesto que aumenta la capacidad de corriente eléctrica de los cables de cobre, proporcionando un nuevo material que se puede escalar para su uso en ultraeficiente, Motores de tracción de vehículos eléctricos de alta potencia.

La investigación tiene como objetivo reducir las barreras para una adopción más amplia de vehículos eléctricos, incluida la reducción del costo de propiedad y la mejora del rendimiento y la vida útil de componentes como motores eléctricos y electrónica de potencia. El material se puede desplegar en cualquier componente que utilice cobre, incluyendo barras colectoras más eficientes y conectores más pequeños para inversores de tracción de vehículos eléctricos, así como para aplicaciones tales como sistemas de carga inalámbricos y por cable.

Para producir un material conductor más ligero con un rendimiento mejorado, Los investigadores de ORNL depositaron y alinearon nanotubos de carbono sobre sustratos planos de cobre, resultando en un material compuesto de matriz metálica con mejor capacidad de manejo de corriente y propiedades mecánicas que el cobre solo.

Incorporando nanotubos de carbono, o CNT, en una matriz de cobre para mejorar la conductividad y el rendimiento mecánico no es una idea nueva. Los CNT son una excelente opción debido a su menor peso, extraordinaria fuerza y ​​propiedades conductoras. Pero los intentos anteriores de otros investigadores con materiales compuestos han dado como resultado longitudes de material muy cortas, solo micrómetros o milímetros, junto con una escalabilidad limitada, o en longitudes más largas que se desempeñaron mal.

El equipo de ORNL decidió experimentar con el depósito de CNT de pared simple mediante electrohilado, un método comercialmente viable que crea fibras como un chorro de velocidad de líquido a través de un campo eléctrico. La técnica proporciona control sobre la estructura y orientación de los materiales depositados, explicó Kai Li, investigador postdoctoral en la División de Ciencias Químicas de la ORNL. En este caso, el proceso permitió a los científicos orientar con éxito los CNT en una dirección general para facilitar un mayor flujo de electricidad.

Luego, el equipo utilizó la pulverización catódica con magnetrón, una técnica de revestimiento al vacío, para agregar capas delgadas de película de cobre en la parte superior de las cintas de cobre recubiertas de CNT. Las muestras recubiertas luego se recocieron en un horno de vacío para producir una red de Cu-CNT altamente conductora formando una densa, capa de cobre uniforme y para permitir la difusión del cobre en la matriz de CNT.

Usando este método, Los científicos de ORNL crearon un compuesto de nanotubos de cobre y carbono de 10 centímetros de largo y 4 centímetros de ancho, con propiedades excepcionales. Las propiedades microestructurales del material se analizaron utilizando instrumentos del Centro de Ciencias de Materiales Nanofásicos de la ORNL. una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. Los investigadores encontraron que el compuesto alcanzó un 14% más de capacidad actual, con propiedades mecánicas mejoradas hasta un 20% en comparación con el cobre puro, como se detalla en Nano materiales aplicados por ACS .

Tolga Aytug, investigador principal del proyecto, dijo que "al incorporar todas las grandes propiedades de los nanotubos de carbono en una matriz de cobre, apuntamos a una mejor resistencia mecánica, peso más ligero y mayor capacidad de corriente. Entonces obtienes un mejor conductor con menos pérdida de energía, lo que a su vez aumenta la eficiencia y el rendimiento del dispositivo. Desempeño mejorado, por ejemplo, significa que podemos reducir el volumen y aumentar la densidad de potencia en sistemas de motor avanzados ".

El trabajo se basa en una rica historia de investigación de superconductividad en ORNL, que ha producido materiales superiores para conducir electricidad con baja resistencia. La tecnología de cables superconductores del laboratorio se autorizó a varios proveedores de la industria, permitiendo usos tales como transmisión eléctrica de alta capacidad con pérdidas de energía mínimas.

Si bien el nuevo avance de los compuestos tiene implicaciones directas para los motores eléctricos, También podría mejorar la electrificación en aplicaciones donde la eficiencia, la masa y el tamaño son una métrica clave, Dijo Aytug. Las características de rendimiento mejoradas, logrado con técnicas comercialmente viables, significa nuevas posibilidades para diseñar conductores avanzados para una amplia gama de sistemas eléctricos y aplicaciones industriales, él dijo.

El equipo de ORNL también está explorando el uso de CNT de doble pared y otras técnicas de deposición como el recubrimiento por pulverización ultrasónica junto con un sistema de rollo a rollo para producir muestras de aproximadamente 1 metro de longitud.

"Los motores eléctricos son básicamente una combinación de metales:laminaciones de acero y devanados de cobre, "señaló Burak Ozpineci, gerente del Programa ORNL Electric Drive Technologies y líder del grupo de Electrónica de Potencia y Maquinaria Eléctrica. "Para cumplir con los objetivos y metas de vehículos eléctricos para 2025 de la Oficina de Tecnologías de Vehículos del DOE, Necesitamos aumentar la densidad de potencia del accionamiento eléctrico y reducir el volumen de los motores en 8 veces, y eso significa mejorar las propiedades del material ".