Dette kan forbedre rekkevidden til elkjøretøy

4 hours ago 1

Denne artikkelen er produsert og finansiert av NTNU - les mer.

Å bytte ut kobber med aluminium i strømledere kan redusere vekten i elektriske kjøretøy. Det kan bidra til å øke rekkevidden. (Illustrasjonsfoto: Shutterstock / NTB)

Om bare elkjøretøy var lettere, ville de vært mer energieffektive også. Det vil selvsagt forskere få til. Med aluminium.

I Norge er det tett mellom elektriske kjøretøy, og de er stappet fulle av strømledere. Disse strømlederne bidrar mye til den totale vekten.

– Historisk sett har strømledere vært laget av kobber. Det er fordi metallet har utmerket ledningsevne, formbarhet og styrke, sier forsker Jørgen A. Sørhaug ved NTNU.

Kobber er altså svært så godt egnet som strømleder, men har én ulempe. Metallet er nemlig også temmelig tungt. Det har stor massetetthet, som fagfolk vil kalle det.

– Derfor er vektbidraget fra kobber i et elkjøretøy betydelig, sier Sørhaug.

Bytter ut kobber med aluminium

Vekten påvirker altså elbilenes energieffektivitet og dermed rekkevidde. Derfor er det en stor fordel om vi kan redusere denne vekten.

Så hva kan vi gjøre med saken om vi ikke vil bruke så mye kobber?

– Aluminium er et godt alternativ til kobber siden det har nesten like god ledningsevne, god formbarhet og god styrke når vi bruker legeringer, altså blandet med andre stoffer. Aluminium er også mye lettere enn kobber, sier Sørhaug.

Det betyr at om vi kan erstatte noe av kobberet i strømledere med aluminium, kan kjøretøy bli både lettere og mer energieffektive. Nettopp dette er det Sørhaug og kolleger arbeider med.

De lager strømledere ved å koble sammen kobber og aluminium, såkalte hybride strømledere.

– I vårt prosjekt har vi produsert hybride strømledere av kobber og aluminium med sveising. Disse testet og undersøkte vi nøye etterpå.

Kaldsveising øker ledningsevnen

Det er vrient å lage slike strømledere av høy kvalitet. Men kaldsveising kan bidra til å utnytte de gode egenskapene til metallene uten at det nødvendigvis går på bekostning av ledningsevnen.

Under sveising blir aluminium og kobber mikset sammen på atomnivå i kontaktflaten, som regel mer dess høyere temperatur. Da dannes gjerne sprø krystaller, såkalte intermetalliske faser, av metallene, som har dårligere ledningsevne enn de rene metallene har.

Slike krystaller vil du derfor ha minst mulig av, og dermed er det ugunstig å sveise ved høy temperatur – både fordi ledningsevnen og styrken synker.

– Vi undersøkte derfor kaldsveising som fremgangsmåte og brukte den patenterte HYB-teknikken, sier Sørhaug.

Det fulle navnet til teknikken er «hybrid metal extrusion & bonding». HYB er utviklet ved NTNU.

HYB. Skjematisk oversikt over sveiseprosedyren.

Forskerne undersøkte i etterkant sveisene ved hjelp av ulike former for elektronmikroskopi, inkludert metoder med kompliserte navn som presesjonselektrondiffraksjon, høyoppløsnings skanne-TEM og røntgenanalyse. Resultatene er oppløftende.

– Vi ser at HYB-teknikken egner seg bedre enn andre kaldsveiseteknikker for å sammenføye aluminium og kobber. I grenseflaten mellom metallene danner det seg tynne og saktevoksende intermetalliske lag. Dette er gunstig, for da kan vi unngå at de mekaniske og elektriske egenskapene til slike strømledere endrer seg.

Hvorfor blir det dårligere av varme?

Men mer må til før aluminium kan ta over for en del av kobberet. Rent aluminium er mekanisk svakere enn kobber, og det er en ulempe.

Det er mulig å øke styrken til aluminium ved å lage legeringer. Da tilsetter forskerne nøye tilmålte doser av andre stoffer, såkalte legeringselementer. I tillegg blir legeringen behandlet termomekanisk. Den valses eller formes på annet vis før den varmebehandles igjen.

– Men legert aluminium er ofte sensitivt for høye temperaturer, og styrken vil typisk svekkes ved sveising. Vi har derfor også undersøkt hva som forårsaker denne styrkereduksjonen på atomær skala og hvordan vi kan forbedre legeringene slik at de tåler varme bedre, sier Sørhaug.

Forsker videre på aluminium

Prosjektet som Sørhaug har jobbet på, slutter i år, men NTNU og Sintef har fått et nytt prosjekt for å forske videre på kaldsveising av aluminium og kobber. Målet er å kontrollere temperaturen bedre og skreddersy plastisk deformasjon på nanoskala.

Dette er et samarbeid hvor Hydro ASA, Corvus Energy AS og Professor Grong AS er med på laget.

– Vi vil bygge videre på forskningen til Sørhaug for å lage sterkere kaldsveiste forbindelser mellom aluminium og kobber, forteller Randi Holmestad, professor i fysikk ved NTNU.

– Gjennom å mikrostrukturere og optimalisere sveisegeometrien vil vi danne en nanostruktur i grenseflatene som forbedrer både styrke og ledningsevne. Det gjelder særlig for elektriske applikasjoner som vi finner i batterisystemene fra Corvus Energy, sier Holmestad.

Her samarbeider altså NTNU og Sintef med aktører fra industrien. Dette skal legge grunnlaget for å produsere nye avanserte multimaterialkomponenter og produkter i Norge.

Til sammen kan altså arbeidet en dag bidra til at vi får lettere, og dermed mer effektive, elektriske kjøretøy.

Sørhaug disputerte for sin doktorgrad 4. desember 2024. Han er nå ansatt ved Sintef Manufacturing.

Referanser:

Jørgen Andre Sørhaug: Electron microscopy of aluminium and aluminium-copper welds made using the hybrid metal extrusion & bonding technique. Doktorgradsavhandling, NTNU, 2024.

Aksel Elkjaer mfl.: Electrical and thermal stability of Al-Cu welds: Performance benchmarking of the hybrid metal extrusion and bonding process. Journal of Manufacturing Processes, 2022. Doi.org/10.1016/j.jmapro.2022.04.029

Jørgen A. Sørhaug mfl.: Al-Cu intermetallic phase growth in hybrid metal extrusion & bonding welds exposed to isothermal annealing or direct current cycling. Materials & Design, 2024. Doi.org/10.1016/j.matdes.2024.112867

Kompetanse- og samarbeidsprosjekt i Forskningsrådet: Prosjektnr. 353008. Tailoring Metallurgically bonded nanoscale interfaces between Al, Cu and Ni involving Deformation-enhanced diffusion (MAD).