Hochleitfähiges Aluminium kann Kupfer entsprechen

May 23, 2023

Leistungselektronik INSIDER

Eine erstmals durchgeführte Simulation der Leitfähigkeit von Aluminium bietet ein Rezept für einen kostengünstigen Ersatz für Kupfer.

In der Welt der Elektrizität ist Kupfer der König – vorerst. Das könnte sich mit neuen Forschungsergebnissen des Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) ändern, die ein Rezept zur Erhöhung der Leitfähigkeit von Aluminium vorlegen, um es wirtschaftlich mit Kupfer konkurrenzfähig zu machen. Diese Forschung öffnet die Tür für Experimente, die, wenn sie vollständig umgesetzt werden, zu einer ultraleitfähigen Aluminiumalternative zu Kupfer führen könnten, die auch in Märkten jenseits von Übertragungsleitungen nützlich wäre – und Fahrzeuge, Elektronik und das Stromnetz revolutionieren würde.

„Was wäre, wenn man Aluminium leitfähiger machen könnte – sogar 80 oder 90 Prozent so leitfähig wie Kupfer? Man könnte Kupfer ersetzen und das würde einen gewaltigen Unterschied machen, denn leitfähigeres Aluminium ist leichter, billiger und in größerer Menge vorhanden“, sagte Keerti Kappagantula, PNNL Materialwissenschaftler und Co-Autor der Forschung. „Das ist das Gesamtproblem, das wir zu lösen versuchen.“

Die Kupfernachfrage übersteigt schnell die Verfügbarkeit, was die Kosten in die Höhe treibt. Kupfer ist ein hervorragender elektrischer Leiter – es wird in allem verwendet, von tragbaren Elektronikgeräten bis hin zu Unterwasserübertragungskabeln, die das Internet mit Strom versorgen – aber es lässt sich nicht leugnen, dass Kupfer immer weniger verfügbar und teurer wird. Es wird erwartet, dass diese Herausforderungen mit der steigenden Zahl von Elektrofahrzeugen (EVs), die doppelt so viel Kupfer benötigen wie herkömmliche Fahrzeuge, noch schlimmer werden. Außerdem ist Kupfer schwer, was die Effizienz von Elektrofahrzeugen beeinträchtigt.

Aluminium hat nur ein Drittel des Preises und Gewichts von Kupfer, ist aber nur etwa 60 % so leitfähig. Die relativ geringe Leitfähigkeit von Aluminium kann in realen Anwendungen eine Einschränkung darstellen.

„Leitfähigkeit ist von entscheidender Bedeutung, da ein leichteres Kabel mit gleichwertiger Leitfähigkeit zur Konstruktion leichterer Motoren und anderer elektrischer Komponenten verwendet werden kann, sodass Ihr Fahrzeug möglicherweise längere Strecken zurücklegen kann“, sagte Kappagantula. „Alles, von der Elektronik eines Autos über die Energieerzeugung bis hin zur Übertragung dieser Energie über das Stromnetz zu Ihnen nach Hause, um die Batterie Ihres Autos aufzuladen – alles, was mit Strom betrieben wird – alles kann effizienter werden.“

„Jahrelang dachten wir, Metalle könnten nicht leitfähiger gemacht werden. Aber das ist nicht der Fall“, erklärte Kappagantula. „Wenn man die Struktur des Metalls verändert und die richtigen Zusätze hinzufügt, kann man tatsächlich seine Eigenschaften beeinflussen.“

Um herauszufinden, um wie viel die Leitfähigkeit von Aluminium erhöht werden könnte, haben sich Kappagantula und der PNNL-Postdoktorand Aditya Nittala mit dem angesehenen Professor David Drabold und dem Doktoranden Kashi Subedi von der Ohio University zusammengetan, um die Auswirkungen von Temperatur und strukturellen Defekten auf die Leitfähigkeit von Aluminium zu identifizieren Entwickeln Sie ein Atom-für-Atom-Rezept, um die Leitfähigkeit zu erhöhen.

Die Fähigkeit des Modells, reale Bedingungen zu simulieren, überraschte sogar das Team. „Wir hätten nicht gedacht, dass diese Ergebnisse der Realität so nahe kommen würden“, sagte Kappagantula.

Nachdem nun ein theoretisches Rezept zur Änderung der Metallleitfähigkeit klar ist, wollen die Forscher herausfinden, wie stark sie die Leitfähigkeit von Aluminium im Labor erhöhen können, um die Theorie mit experimentellen Ergebnissen in Einklang zu bringen. Sie untersuchen auch die Möglichkeit, die Leitfähigkeit anderer Metalle mithilfe derselben Simulationen zu erhöhen.

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