Los científicos de ORNL utilizaron nuevas técnicas para crear grandes longitudes de un material compuesto de nanotubos de cobre y carbono con propiedades mejoradas para su uso en motores de tracción de vehículos eléctricos. Crédito: Andrew Sproles, ORNL / Departamento de Energía de EE. UU.
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 motores de tracción de vehículos eléctricos ultraeficientes y 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 implementar en cualquier componente que utilice cobre, incluidas barras colectoras más eficientes y conectores más pequeños para inversores de tracción de vehículos eléctricos, así como para aplicaciones como sistemas de carga inalámbricos y por cable.
Para producir un material conductor más liviano con un rendimiento mejorado, los investigadores de ORNL depositaron y alinearon nanotubos de carbono sobre sustratos planos de cobre, lo que resultó en un material compuesto de matriz metálica con mejor capacidad de manejo de corriente y propiedades mecánicas que el cobre solo.
La incorporación de 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 resistencia 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 con un rendimiento deficiente.
El equipo de ORNL decidió experimentar depositando CNT de pared simple mediante electrohilado, un método comercialmente viable que crea fibras como un chorro de velocidades 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 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 recubrimiento al vacío, para agregar capas delgadas de película de cobre sobre las cintas de cobre recubiertas de CNT. A continuación, las muestras revestidas se recocieron en un horno de vacío para producir una red de Cu-CNT altamente conductora formando una capa de cobre densa y uniforme y para permitir la difusión del cobre en la matriz de CNT.
Con 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 ORNL, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de EE. UU.
Los investigadores encontraron que el compuesto alcanzó un 14% más de capacidad de corriente, con propiedades mecánicas mejoradas hasta un 20% en comparación con el cobre puro, como se detalla en Nano materiales aplicados por ACS.
Tolga Aytug, investigadora principal del proyecto, dijo que “al incorporar todas las excelentes propiedades de los nanotubos de carbono en una matriz de cobre, estamos apuntando a una mejor resistencia mecánica, un peso más ligero y una mayor capacidad de corriente. Entonces obtiene un mejor conductor con menos pérdida de energía, lo que a su vez aumenta la eficiencia y el rendimiento del dispositivo. Un rendimiento 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, lo que permite usos como la transmisión eléctrica de alta capacidad con pérdidas de energía mínimas.
Si bien el nuevo avance compuesto 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 desempeño mejoradas, logradas con técnicas comercialmente viables, significan nuevas posibilidades para diseñar conductores avanzados para una amplia gama de sistemas eléctricos y aplicaciones industriales, 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 Power Electronics and Electric Machinery. “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 propulsor eléctrico y reducir el volumen de los motores en 8 veces, y eso significa mejorar las propiedades del material”.
Referencia: “Compuestos de nanotubos de cobre y carbono habilitados por electrohilado para conductores avanzados” por Kai Li, Michael McGuire, Andrew Lupini, Lydia Skolrood, Fred List, Burak Ozpineci, Soydan Ozcan y Tolga Aytug, 18 de junio de 2020, Nano materiales aplicados por ACS.
DOI: 10.1021 / acsanm.0c01236
Otros científicos de ORNL en el proyecto fueron Michael McGuire, Andrew Lupini, Lydia Skolrood, Fred List y Soydan Ozcan. El trabajo fue financiado por la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable del DOE, Oficina de Tecnologías de Vehículos.
