Pesquisadores do Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) aumentaram a condutividade do fio de cobre em cerca de 5%. Isso pode parecer uma quantidade pequena, mas pode fazer uma grande diferença na eficiência do motor. Maior condutividade também significa que menos cobre é necessário para a mesma eficiência, que pode reduzir o peso e o volume de vários componentes que deverão fornecer energia aos nossos futuros veículos elétricos.

O laboratório se uniu à General Motors para testar o fio de cobre envenenado para uso em componentes de motores de veículos. Como parte de um projeto de pesquisa com custos compartilhados, a equipe validou o aumento da condutividade e descobriu que ele também tem maior ductilidade - a capacidade de esticar mais antes de quebrar. Em outras propriedades físicas, ele se comportou exatamente como o cobre normal, de modo que pode ser soldado e submetido a outras tensões mecânicas sem degradação de desempenho. Isso significa que nenhum método de fabricação especializado é necessário para montar motores - apenas o novo composto de cobre PNNL avançado.

A tecnologia pode ser aplicada a qualquer indústria que use cobre para movimentar energia elétrica, incluindo transmissão de energia, eletrônicos, carregadores sem fio, motores elétricos, geradores, cabos submarinos, e baterias.

Usando um novo, plataforma de fabricação patenteada e com patente pendente desenvolvida na PNNL. Os pesquisadores adicionaram grafeno - um produto altamente condutivo, folha nanofina de átomos de carbono - para cobre e fio produzido. O aumento da condutividade em comparação com o cobre puro é possibilitado por uma máquina inédita que combina e expulsa metal e materiais compostos, incluindo cobre.

Inspiração de cisalhamento

O processo ShAPE da PNNL pode melhorar o desempenho dos materiais extrudados durante o processo. ShAPE significa processamento e extrusão assistida por cisalhamento. Oposição, ou cisalhamento, a força é aplicada girando um metal ou composto enquanto ele é empurrado através de uma matriz para criar uma nova forma. Este romance, abordagem de eficiência energética cria aquecimento interno deformando o metal, que o amolece e permite que se transforme em fios, tubos, e barras.

"ShAPE é o primeiro processo que alcançou condutividade melhorada em cobre em grande escala, o que significa que pode produzir materiais em um tamanho e formato que a indústria usa atualmente, como fios e barras, "disse Glenn Grant, investigador principal. "O benefício de adicionar grafeno ao cobre já foi investigado antes, mas esses esforços se concentraram principalmente em filmes finos ou estruturas em camadas que são extremamente caras e demoradas para fazer. O processo ShAPE é a primeira demonstração de considerável melhoria de condutividade em compósitos de cobre-grafeno feitos por um processo verdadeiramente escalonável. "

A carga:metais de alta condutividade para veículos elétricos

De acordo com um relatório do Departamento de Energia dos EUA de 2018 sobre veículos elétricos, é necessário melhorar a eficiência do motor para aumentar a densidade de potência dos veículos elétricos. Adicionalmente, os componentes precisam caber em espaços cada vez menores disponíveis no veículo. Mas a redução do volume do motor é limitada pelos materiais usados ​​nos veículos elétricos atuais e pelas limitações da condutividade elétrica dos enrolamentos de cobre.

Adicionar grafeno ao cobre tem se mostrado difícil porque os aditivos não se misturam uniformemente, criando aglomerados e espaços de poros dentro da estrutura. Mas o processo ShAPE elimina os espaços dos poros, ao mesmo tempo que distribui os aditivos dentro do metal de maneira uniforme, que pode ser a razão para a melhoria da condutividade elétrica.

"A dispersão uniforme do grafeno do ShAPE é a razão pela qual apenas pequenas quantidades de aditivo são necessárias - cerca de seis partes por milhão de flocos de grafeno - para obter uma melhoria substancial de 5 por cento na condutividade, "disse o cientista de materiais do PNNL Keerti Kappagantula." Outros métodos requerem grandes quantidades de grafeno, que é muito caro de fazer, e ainda não chegamos perto da alta condutividade que demonstramos em grande escala. "

Os engenheiros de Pesquisa e Desenvolvimento da General Motors verificaram que o fio de cobre de maior condutividade pode ser soldado, brasado, e formado exatamente da mesma maneira que o fio de cobre convencional. Isso indica integração perfeita com os processos de fabricação de motores existentes.

"Para mais motores leves, avanços em materiais é o novo paradigma, "disse Darrell Herling da Divisão de Processos e Materiais de Energia da PNNL." Cobre de maior condutividade pode ser uma abordagem perturbadora para reduzir o peso e / ou aumentar a eficiência de qualquer motor elétrico ou sistema de carregamento de veículos sem fio. "