新型复合材料加快了对超高效电动汽车电机的追求

ORNL的科学家使用新技术来制造长段具有改进性能的复合铜-碳纳米管材料，用于电动汽车牵引电机。

橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）的科学家使用新技术制造了一种能够增加铜线电流容量的复合材料，从而提供了一种可以按比例缩放以用于超高效，高功率密度电动车辆牵引电动机的新材料。

这项研究旨在减少阻碍电动汽车广泛采用的障碍，包括降低拥有成本，以及改善诸如电动机和电力电子设备之类的部件的性能和寿命。该材料可以部署在任何使用铜的组件中，包括用于电动汽车牵引逆变器以及无线和有线充电系统等应用的更高效的母线和更小的连接器。

为了生产重量更轻，性能更高的导电材料，ORNL研究人员在平坦的铜基板上沉积并排列了碳纳米管，从而形成了一种金属基质复合材料，其电流处理能力和机械性能均比单独的铜更好。

将碳纳米管或碳​​纳米管掺入铜基体中以提高导电性和机械性能并不是一个新主意。碳纳米管因其重量轻，强度高和导电性能而成为绝佳的选择。但是其他研究人员过去对复合材料的尝试导致材料长度非常短，只有微米或毫米，可扩展性有限，或者较长的材料表现不佳。

ORNL小组决定尝试使用静电纺丝法沉积单壁CNT，这是一种商业可行的方法，可以通过电场通过液体速度射流产生纤维。ORNL化学科学部的博士后研究员Kai Li解释说，该技术可控制沉积材料的结构和方向。在这种情况下，该过程使科学家能够将碳纳米管成功地沿一个总体方向定向，以促进电流的流动。

然后，该团队使用了磁控溅射（一种真空镀膜技术）在CNT镀铜铜带的顶部添加了一层薄铜膜。然后将涂覆的样品在真空炉中退火，以通过形成致密，均匀的铜层来产生高导电性的Cu-CNT网络，并使铜扩散到CNT基体中。

使用这种方法，ORNL的科学家创造了一种长10厘米，宽4厘米的铜-碳纳米管复合材料，具有出色的性能。使用美国能源部科学技术办公室用户设施ORNL的纳米相材料科学中心的仪器分析了材料的微观结构特性。

研究人员发现，与纯铜相比，该复合材料的电流容量提高了14％，机械性能提高了20％，如ACS Applied Nano Materials中所述。

该项目的首席研究员Tolga Aytug说：“通过将碳纳米管的所有出色特性嵌入到铜基体中，我们的目标是提高机械强度，减轻重量和提高电流容量。这样一来，您将获得一种性能更好的导体，且功耗更低，从而提高了设备​​的效率和性能。例如，性能的改善意味着我们可以减小体积并提高先进电机系统的功率密度。”

这项工作建立在ORNL超导研究的悠久历史的基础上，该研究所已经生产出了优良的材料来传导低电阻的电流。该实验室的超导线技术已获得多家行业供应商的许可，可实现高容量电力传输，同时将功率损耗降至最低。

Aytug说，虽然新的复合材料突破对电动机具有直接影响，但在效率，质量和尺寸是关键指标的应用中，它也可以改善电气化。他说，通过商业上可行的技术来实现的改进的性能特征，意味着为广泛的电气系统和工业应用设计高级导体的新可能性。

ORNL小组还正在研究使用双壁CNT和其他沉积技术（例如超声喷涂与卷对卷系统结合使用）以生产长度约1米的样品。

“电动机基本上是金属的一种复合物，即钢叠片和铜绕组，” ORNL电力驱动技术计划的负责人，电力电子和电机部门的负责人Burak Ozpineci指出。“为了实现美国能源部车辆技术办公室的2025年电动汽车目标，我们需要将电动驱动器的功率密度提高，并将电动机的体积减少8倍，这意味着提高材料性能。”

参考：凯里（Kai Li），迈克尔·麦奎尔（Michael McGuire），安德鲁·鲁皮尼（Andrew Lupini），莱迪亚·斯科罗德（Lydia Skolrood），弗雷德·利斯特（Fast List），布拉克·奥兹派尼奇，Soydan Ozcan和Tolga Aytug，2020年6月18日，ACS应用纳米材料。
10.1021 / acsanm.0c01236

该项目的其他ORNL科学家包括Michael McGuire，Andrew Lupini，Lydia Skolrood，Fred List和Soydan Ozcan。这项工作由美国能源部能源效率和可再生能源办公室，车辆技术办公室资助。