Cuisiner une alternative conductrice au cuivre avec de l’aluminium

Dans le monde de l’électricité, le cuivre est roi, pour l’instant. Cela pourrait changer avec de nouvelles recherches du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) qui propose une recette pour augmenter la conductivité de l’aluminium, le rendant économiquement compétitif avec le cuivre. Cette recherche ouvre la porte à des expériences qui, si elles sont pleinement réalisées, pourraient conduire à une alternative en aluminium ultra-conductrice au cuivre qui serait utile sur les marchés au-delà des lignes de transmission, révolutionnant les véhicules, l’électronique et le réseau électrique.

« Et si vous pouviez rendre l’aluminium plus conducteur, même 80 % ou 90 % aussi conducteur que le cuivre ? Vous pourriez remplacer le cuivre et cela ferait une énorme différence car l’aluminium plus conducteur est plus léger, moins cher et plus abondant », a déclaré Keerti Kappagantula, Scientifique des matériaux du PNNL et co-auteur de la recherche. « C’est le gros problème que nous essayons de résoudre. »

Cuivre contre aluminium

La demande de cuivre dépasse rapidement sa disponibilité actuelle, ce qui fait grimper son coût. Le cuivre est un excellent conducteur électrique – il est utilisé dans tout, des appareils électroniques portables aux câbles de transmission sous-marins qui alimentent Internet – mais il est indéniable que le cuivre devient moins disponible et plus cher. Ces défis ne devraient qu’empirer avec le nombre croissant de véhicules électriques (VE), qui ont besoin de deux fois plus de cuivre que les véhicules traditionnels. De plus, le cuivre est lourd, ce qui réduit l’efficacité des VE.

L’aluminium ne représente qu’un tiers du prix et du poids du cuivre, mais il n’est conducteur qu’à environ 60 %. La conductivité relativement faible de l’aluminium peut être une limitation dans certaines applications du monde réel.

« La conductivité est essentielle car un fil plus léger avec une conduction équivalente peut être utilisé pour concevoir des moteurs plus légers et d’autres composants électriques, de sorte que votre véhicule peut potentiellement parcourir de plus longues distances », a déclaré Kappagantula. « Tout, de l’électronique d’une voiture à la production d’énergie, en passant par la transmission de cette énergie à votre domicile via le réseau pour charger la batterie de votre voiture – tout ce qui fonctionne à l’électricité – tout peut devenir plus efficace. »

Augmenter la conductivité de l’aluminium changerait la donne.

« Pendant des années, nous avons pensé que les métaux ne pouvaient pas être rendus plus conducteurs. Mais ce n’est pas le cas », a expliqué Kappagantula. « Si vous modifiez la structure du métal et introduisez les bons additifs, vous pouvez en effet influencer ses propriétés. »

Pour commencer à déterminer à quel point la conductivité de l’aluminium pourrait être augmentée, Kappangantula et la chercheuse postdoctorale du PNNL Aditya Nittala se sont associées au professeur émérite David Drabold et à l’étudiant diplômé Kashi Subedi de l’Université de l’Ohio pour identifier les effets de la température et des défauts structurels dans la conductivité de l’aluminium et développer une recette atome par atome pour augmenter sa conductivité.

Une réussite modèle

Ce type de simulation moléculaire n’avait jamais été fait pour les métaux auparavant, les chercheurs ont donc dû faire preuve de créativité. Ils se sont inspirés des semi-conducteurs car des recherches antérieures avaient simulé avec succès la conductivité de ces matériaux à base de silicium et de certains oxydes métalliques. L’équipe a adapté ces concepts pour travailler avec l’aluminium et a simulé ce qui arriverait à la conductivité du métal si des atomes individuels de sa structure étaient supprimés ou réarrangés. Ces minuscules changements se sont ajoutés à de gros gains de conductivité totale.

La capacité du modèle à simuler des conditions réelles a même surpris l’équipe. « Nous ne pensions pas que ces résultats seraient si proches de la réalité », a déclaré Kappagantula. « Cette simulation de modèle basée sur la structure atomique et ses différents états est si précise – je me suis dit: » Wow, c’est juste sur la cible. C’est très excitant. »

Avec une recette théorique pour modifier la conductivité du métal désormais claire, les chercheurs prévoient de voir dans quelle mesure ils peuvent augmenter la conductivité de l’aluminium en laboratoire pour faire correspondre la théorie aux résultats expérimentaux. Ils explorent également la possibilité d’augmenter la conductivité d’autres métaux en utilisant les mêmes simulations.

La recherche est publiée dans Examen physique Bet l’équipe s’attend à ce qu’un aluminium plus conducteur ait des implications considérables : toute application utilisant de l’électricité ou du cuivre pourrait bénéficier du développement d’un aluminium ultra-conducteur abordable, léger et ultra-conducteur.