導電性の高いアルミニウムは銅と同等の可能性がある

May 23, 2023

パワー エレクトロニクス インサイダー

アルミニウムの導電性を初めてシミュレーションした結果、銅の安価な代替品のレシピが得られました。

電気の世界では、今のところ銅が王様です。 この状況は、アルミニウムの導電率を高めて銅と経済的に競争力を高めるレシピを提供するパシフィック・ノースウェスト国立研究所（PNNL）の新しい研究によって変わる可能性がある。 この研究は、完全に実現すれば、送電線を超えた市場でも役立つ、銅に代わる超導電性アルミニウムの開発につながる可能性のある実験への扉を開き、車両、エレクトロニクス、電力網に革命をもたらします。

「アルミニウムの導電性をさらに高めることができたらどうなるでしょうか。たとえ銅の導電率の 80 ～ 90% であっても？銅を置き換えることができます。そうすれば導電性の高いアルミニウムはより軽く、より安く、より豊富に存在するため、大きな違いが生まれるでしょう」と PNNL の Keerti Kappagantula 氏は述べています。材料科学者であり、研究の共著者。 「それが私たちが解決しようとしている全体像の問題です。」

銅の需要は供給可能量を急速に上回っており、銅のコストが上昇しています。 銅は優れた電気導体であり、携帯用電子機器からインターネットに電力を供給する水中伝送ケーブルに至るまで、あらゆるものに使用されていますが、銅の入手が困難になり、価格が高騰しているという事実から逃れることはできません。 これらの課題は、従来の車両の2倍の銅を必要とする電気自動車（EV）の台数が増加するにつれてさらに悪化すると予想されます。 さらに、銅は重いため、EVの効率が低下します。

アルミニウムは、価格と重量が銅のわずか 3 分の 1 ですが、導電性は約 60% しかありません。 アルミニウムの導電率は比較的低いため、実際の用途では制限となる可能性があります。

「導電性が重要です。同等の導電性を備えた軽量ワイヤを使用して、より軽量なモーターやその他の電気コンポーネントを設計できるため、車両がより長い距離を走行できる可能性があります」とカッパガンチュラ氏は述べています。 「車のエレクトロニクスからエネルギー生成、車のバッテリーを充電するためにそのエネルギーを送電網経由で家庭に送るまで、電気で動くものなら何でも、すべてをより効率的にすることができます。」

「私たちは何年もの間、金属をこれ以上導電性にすることはできないと考えていました。しかし、そうではありませんでした」とカッパガンチュラ氏は説明した。 「金属の構造を変えて適切な添加剤を導入すれば、実際にその特性に影響を与えることができます。」

アルミニウムの導電率をどの程度高めることができるかを解明するために、Kappagantula 氏と PNNL 博士研究員の Aditya Nittala 氏は、オハイオ大学の特別教授 David Drabold および大学院生の Kashi Subedi 氏と協力して、アルミニウムの導電率における温度と構造欠陥の影響を特定しました。導電性を高めるための原子ごとのレシピを開発します。

現実世界の状況をシミュレートするモデルの能力は、チームさえも驚きました。 「これらの結果がこれほど現実に近いものになるとは思いませんでした」とカッパガントゥラ氏は語った。

金属の導電率を変える理論的なレシピが明らかになったので、研究者らは、理論と実験結果を一致させるために、実験室でアルミニウムの導電率をどの程度高めることができるかを確認する予定だ。 彼らはまた、同じシミュレーションを使用して他の金属の導電性を高める可能性も調査しています。

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