Готовим проводящую альтернативу меди с алюминием

В мире электричества медь является королем — пока. Это может измениться благодаря новому исследованию Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL) , которое предлагает рецепт повышения проводимости алюминия, что делает его экономически конкурентоспособным с медью. Это исследование открывает двери для экспериментов, которые, если они будут полностью реализованы, могут привести к сверхпроводящей алюминиевой альтернативе меди, которая будет полезна на рынках за пределами линий электропередач, произведя революцию в транспортных средствах, электронике и энергосистемах.

«Что, если бы вы могли сделать алюминий более проводящим, даже на 80% или 90% таким же, как у меди? Вы можете заменить медь, и это будет иметь огромное значение, потому что более проводящий алюминий легче, дешевле и более распространен», — сказал Кирти Каппагантула , материаловед PNNL и соавтор исследования. «Это общая проблема, которую мы пытаемся решить».

Медь против алюминия
Спрос на медь быстро превышает ее текущее наличие, что увеличивает ее стоимость. Медь — отличный электрический проводник — она используется во всем, от портативной электроники до подводных кабелей передачи, питающих Интернет, — но нельзя избежать того факта, что медь становится менее доступной и более дорогой. Ожидается, что эти проблемы будут только усугубляться с ростом числа электромобилей (EV), для которых требуется в два раза больше меди , чем для традиционных автомобилей. Кроме того, медь тяжелая, что снижает эффективность электромобиля. 

Алюминий всего на треть дешевле и весит медь, но его электропроводность составляет всего около 60%. Относительно низкая проводимость алюминия может быть ограничением в некоторых реальных приложениях. 

«Проводимость имеет ключевое значение, потому что более легкий провод с эквивалентной проводимостью можно использовать для разработки более легких двигателей и других электрических компонентов, поэтому ваш автомобиль потенциально может преодолевать большие расстояния», — сказал Каппагантула. «Все, от автомобильной электроники до выработки энергии и передачи этой энергии в ваш дом через сеть для зарядки аккумулятора вашего автомобиля — все, что работает на электричестве, — все это может стать более эффективным».  

Повышение проводимости алюминия изменит правила игры.

«В течение многих лет мы думали, что металлы нельзя сделать более проводящими. Но это не так», — пояснил Каппагантула. «Если вы измените структуру металла и введете правильные добавки, вы действительно сможете повлиять на его свойства». 

Чтобы выяснить, насколько можно увеличить проводимость алюминия, Каппангантула и аспирант PNNL Адитья Ниттала объединились с заслуженным профессором Дэвидом Драболдом и аспирантом Каши Субеди из Университета Огайо, чтобы определить влияние температуры и структурных дефектов на проводимость алюминия и разработать поатомный рецепт для увеличения его проводимости. 

Образцовый успех
Этот тип молекулярного моделирования никогда раньше не применялся для металлов, поэтому исследователям пришлось проявить творческий подход. Они искали вдохновение в полупроводниках, потому что предыдущие исследования успешно моделировали проводимость этих материалов на основе кремния и некоторых оксидов металлов. Команда адаптировала эти концепции для работы с алюминием и смоделировала, что произойдет с проводимостью металла, если отдельные атомы в его структуре будут удалены или перегруппированы. Эти крошечные изменения привели к большому увеличению общей проводимости.  

Способность модели имитировать реальные условия удивила даже команду. «Мы не думали, что эти результаты будут так близки к реальности», — сказал Каппагантула. «Эта модель моделирования, основанная на атомной структуре и ее различных состояниях, настолько точна, что я подумал: «Вау, это точно в цель». Это очень волнительно."  

Теперь, когда теоретический рецепт изменения проводимости металла ясен, исследователи планируют посмотреть, насколько они могут увеличить проводимость алюминия в лаборатории, чтобы привести теорию в соответствие с экспериментальными результатами. Они также изучают возможность увеличения проводимости других металлов с помощью тех же симуляций. 

Рецепт металлов нового поколения
Исследовательская группа ожидает, что более проводящий алюминий будет иметь далеко идущие последствия — любое приложение, использующее электричество или медь, может выиграть от разработки доступного, легкого и сверхпроводящего алюминия. 

Это исследование было поддержано организацией Hydro-Innovation and Technology-ENA и Национальным научным фондом. Усилия по разработке, направленные на применение этих результатов к конкретным энергетическим приложениям, спонсируются отделами передовых технологий производства и транспортных средств Министерства энергетики.