La recherche sur les composites cuivre-graphène pourrait ouvrir la voie à une distribution de l’énergie beaucoup plus efficace dans les équipements industriels, les véhicules électriques et autres.
La croissance des centres de données, des énergies renouvelables, des véhicules électriques et d’autres applications à haute puissance a accru le besoin d’une distribution d’énergie fiable et efficace. Pour répondre à la demande, les chercheurs explorent des moyens de fabriquer des conducteurs plus efficaces, présentant une meilleure conductivité quelle que soit leur température, pour répondre à la demande.
Fil de cuivre. Image utilisée avec l’aimable autorisation de U.S. NRC
Le développement des conducteurs composites cuivre-graphène pourrait représenter une avancée majeure dans la distribution d’énergie. Les chercheurs du Pacific Northwest National Laboratory ont réalisé les avantages du graphène dans un conducteur réel.
Coefficient de température de résistance et graphène
Le coefficient de température de résistance (TCR) est une propriété fondamentale des matériaux qui quantifie comment leur résistance électrique change avec la température. Représenté sous forme de ratio, il décrit le changement de résistance par degré de changement de température par rapport à une température de base spécifiée, généralement 20 °C.
Un TCR positif signifie que la résistance augmente avec la température, tandis qu’un TCR négatif indique le contraire. La compréhension du TCR est essentielle dans diverses applications, notamment dans la distribution d’énergie, où les variations de température peuvent affecter considérablement les performances et l’efficacité.
TCR moyen ΔR/R en ppm pour une plage de température de -55 à 25˚C et de 25 à 125˚C. Image utilisée avec l’aimable autorisation du Guide des résistances pÉlectrique
Les matériaux présentant un TCR faible ou stable sont préférés dans les systèmes de distribution d’énergie. En effet, les systèmes électriques fonctionnent souvent à des températures variables, et les fluctuations de résistance peuvent entraîner des inefficacités, des pertes d’énergie et une surchauffe potentielle. Par exemple, les matériaux présentant des TCR élevés utilisés dans les câbles d’alimentation peuvent voir leur résistance augmenter dans des conditions de charge élevée, ce qui génère une chaleur supplémentaire. Cela peut réduire l’efficacité énergétique du système d’alimentation, accélérer le vieillissement des composants et augmenter les coûts de maintenance.
Le graphène est devenu l’un des matériaux les plus prometteurs pour relever le défi du TCR car les atomes de carbone, disposés en une seule couche, peuvent former une structure hexagonale. Dans cette structure unidimensionnelle unique, le graphène présente des propriétés électriques, thermiques et mécaniques exceptionnelles. Par exemple, tandis que le cuivre pur est réputé avoir un TCR de 0,393 % par degré Celsius, le graphène présente un TCR beaucoup plus faible de 0,207 % par degré Celsius.
Pour cette raison, les composites renforcés au graphène pourraient fonctionner efficacement à des températures plus élevées sans pertes significatives de conductivité, ce qui pourrait rendre les systèmes énergétiques plus robustes, efficaces et durables.
La recherche sur les composites cuivre-graphène
Les chercheurs du département de l’énergie américain ont produit des composites cuivre-graphène à partir d’alliages C11000 avec 18 parties par million de graphène déposé par dépôt chimique en phase vapeur. Le processus de fabrication breveté, appelé ShAPE, a donné des fils d’un diamètre de 1,5 mm et d’une longueur variant de 250 à 600 mm. Les chercheurs ont conclu que la présence de graphène, notamment avec une densité élevée de défauts, semble réduire le TCR tout en conservant des flocons de faible densité de défauts qui améliorent la conductivité électrique.
Les composites cuivre-graphène dépassent le cuivre pur en termes de TCR et de conductivité. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Gwalani et al.
Le processus a entraîné une réduction de 11 % du TCR et une amélioration de 0,4 % de la conductivité par rapport au cuivre conventionnel C11000. Lors de la même expérience, l’équipe a constaté que l’ajout de 25 ppm de graphène réduisait le TCR de près de 5 % et augmentait la conductivité électrique de plus de 1 %.
Alors qu’un gain d’efficacité de 1 % peut sembler trivial, lorsqu’il est mis à l’échelle dans des applications telles que les véhicules électriques, les centrales électriques et les centres de données, cela pourrait permettre d’économiser des millions de watts de puissance. Le résultat est une infrastructure de distribution d’énergie plus efficace et durable.
Un avenir prometteur pour le cuivre-graphène
La production réussie de composites cuivre-graphène par le département de l’énergie américain, avec une réduction du TCR et une amélioration de la conductivité, démontre le potentiel énorme du graphène dans de nombreuses applications à haute puissance. Des véhicules électriques plus efficaces à un fonctionnement durable des centres de données et des systèmes d’énergie renouvelable, cette recherche représente une avancée significative dans la recherche de l’efficacité énergétique et de la durabilité.