Des chercheurs du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) ont augmenté la conductivité du fil de cuivre d'environ cinq pour cent. Cela peut sembler une petite quantité, mais cela peut faire une grande différence dans l'efficacité du moteur. Une conductivité plus élevée signifie également que moins de cuivre est nécessaire pour la même efficacité, ce qui peut réduire le poids et le volume de divers composants qui devraient alimenter nos futurs véhicules électriques.

Le laboratoire s'est associé à General Motors pour tester le fil de cuivre gonflé à utiliser dans les composants de moteur de véhicule. Dans le cadre d'un projet de recherche à frais partagés, l'équipe a validé l'augmentation de la conductivité et a constaté qu'elle avait également une ductilité plus élevée - la capacité de s'étirer plus avant qu'elle ne se brise. Dans d'autres propriétés physiques, il s'est comporté comme du cuivre ordinaire, il peut donc être soudé et soumis à d'autres contraintes mécaniques sans dégradation des performances. Cela signifie qu'aucune méthode de fabrication spécialisée n'est nécessaire pour assembler les moteurs, uniquement le nouveau composite de cuivre avancé PNNL.

La technologie peut s'appliquer à toute industrie qui utilise le cuivre pour déplacer l'énergie électrique, y compris la transmission de puissance, électronique, chargeurs sans fil, moteurs électriques, générateurs, câbles sous-marins, et piles.

En utilisant un nouveau, plate-forme de fabrication brevetée et en instance de brevet développée au PNNL, les chercheurs ont ajouté du graphène, un matériau hautement conducteur, feuille nano-mince d'atomes de carbone - au cuivre et au fil produit. L'augmentation de la conductivité par rapport au cuivre pur est rendue possible par une machine unique en son genre qui combine et extrude le métal et les matériaux composites, y compris le cuivre.

Cisaillement inspiration

Le processus ShAPE de PNNL peut améliorer les performances des matériaux extrudés au cours du processus. ShAPE signifie Shear Assisted Processing and Extrusion. Opposition, ou cisaille, la force est appliquée en faisant tourner un métal ou un composite lorsqu'il est poussé à travers une matrice pour créer une nouvelle forme. Ce roman, approche écoénergétique crée un chauffage interne en déformant le métal, qui le ramollit et lui permet de se former en fils, tuyaux, et barres.

"ShaPE est le premier procédé qui a permis d'améliorer la conductivité du cuivre à l'échelle de la masse, ce qui signifie qu'il peut produire des matériaux dans une taille et un format que l'industrie utilise actuellement, comme des fils et des barres, " a déclaré Glenn Grant, chercheur principal. « L'avantage de l'ajout de graphène au cuivre a déjà été étudié, mais ces efforts se sont principalement concentrés sur des films minces ou des structures en couches qui sont extrêmement coûteux et longs à fabriquer. Le procédé ShAPE est la première démonstration d'une amélioration considérable de la conductivité dans un composite cuivre-graphène fabriqué par un procédé véritablement évolutif."

La charge :des métaux à haute conductivité pour les véhicules électriques

Selon un rapport du département américain de l'Énergie de 2018 sur les véhicules électriques, il existe un besoin d'améliorer l'efficacité du moteur pour augmenter la densité de puissance pour les véhicules électriques. En outre, les composants doivent tenir dans des espaces de plus en plus petits disponibles dans le véhicule. Mais la réduction du volume du moteur est limitée par les matériaux utilisés dans les véhicules électriques actuels et les limitations de conductivité électrique des enroulements en cuivre.

L'ajout de graphène au cuivre s'est avéré difficile car les additifs ne se mélangent pas uniformément, créant des amas et des espaces poreux au sein de la structure. Mais le procédé ShAPE élimine les espaces poreux tout en répartissant uniformément les additifs dans le métal, ce qui peut être la raison de l'amélioration de la conductivité électrique.

"La dispersion uniforme du graphène de ShAPE est la raison pour laquelle seules de très petites quantités d'additif sont nécessaires - environ six parties par million de flocons de graphène - pour obtenir une amélioration substantielle de 5 % de la conductivité, " a déclaré Keerti Kappagantula, scientifique des matériaux du PNNL. " D'autres méthodes nécessitent de grandes quantités de graphène, ce qui est très cher à faire, et n'ont toujours pas approché la conductivité élevée que nous avons démontrée à grande échelle."

Les ingénieurs de recherche et développement de General Motors ont vérifié que le fil de cuivre à conductivité plus élevée peut être soudé, brasé, et formé exactement de la même manière que le fil de cuivre conventionnel. Cela indique une intégration transparente avec les processus de fabrication de moteurs existants.

"Pour aller plus loin dans les moteurs légers, les progrès des matériaux sont le nouveau paradigme, " a déclaré Darrell Herling de la division des procédés énergétiques et des matériaux du PNNL. " Le cuivre à conductivité plus élevée pourrait être une approche perturbatrice de l'allègement et/ou de l'augmentation de l'efficacité pour tout moteur électrique ou système de recharge de véhicule sans fil. "