CNT-Fasern Kabel aus leichten Kohlenstoffnanoröhren

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Forscher des IMDEA Materials Institute aus Madrid haben erstmals CNT-Fasern entwickelt, deren elektrische Leitfähigkeit mit der von Kupfer- und Aluminiumkabeln vergleichbar ist. Der Vorteil: sie sind viel leichter und könnten schwere Kupferkabel ersetzen.

Am IMDEA Materials Institute wurde erstmals ein skalierbares Herstellungsverfahren für Kohlenstoffnanoröhrenfasern (CNT-Fasern) vorgestellt, deren elektrische Leitfähigkeit mit der von Kupfer und Aluminium vergleichbar ist. Diese Fasern gelten aufgrund ihrer einzigartigen Kombination aus geringer Dichte und elektrischen, thermischen sowie mechanischen Eigenschaften als ideale Bausteine für elektrische Leiter.

Bislang boten sie jedoch nicht die erforderliche elektrische Leitfähigkeit, um auf industrieller Ebene eine realistische Alternative zu herkömmlichen Materialien, insbesondere Kupfer, darzustellen. „Dies ist das erste Mal, man mit CNT-Fasern Ergebnisse erzielt haben, die in dieser Hinsicht eine ausreichende Leistung aufweisen, um eine realistische industrielle Alternative zu herkömmlichen leitfähigen Materialien zu bieten“, sagte Dr. Juan José Vilatela, leitender Forscher am IMDEA Materials.

Konkret konnte die Forscher gasphaseninterkalierte CNT-Fasern herstellen, deren Leitfähigkeit bei Raumtemperatur bis zu 24,5 MS/m beträgt – fast die Hälfte der Leitfähigkeit von Kupfer, bei einem sechsmal geringeren Gewicht.

Das Geheimnis liegt im Tetrachloraluminat

Der Schlüssel zur hohen Leitfähigkeit war die Einführung von Tetrachloraluminat (AlCl₄) zur Interkalation in die CNT-Fasern. AlCl₄ wirkt als Dotierstoff, der das CNT-Fasergefüge nicht stört. Durch die Beibehaltung der ursprünglichen Struktur der CNT-Bündel erhöht der Dotierungsprozess die Leitfähigkeit und bewahrt gleichzeitig deren mechanische Eigenschaften. „Darüber hinaus bietet AlCl₄⁻ im Vergleich zu anderen von uns untersuchten Dotierstoffen einen starken Dotierungseffekt, ohne das Gewicht übermäßig zu erhöhen“, erklärte die IMDEA-Materialforscherin Ana Inés de Isidro Gómez.

Konkret zeigten die Forscher, dass sie durch Dotierung der hochausgerichteten CNT-Fasern mit AlCl₄ eine mehr als 17-fache Steigerung der elektrischen Leitfähigkeit der Fasern erreichen konnten. Dies ergab eine mittlere spezifische Leitfähigkeit, die die von Kupfer überstieg, wobei der höchste gemessene Wert über dem von Aluminium lag.

Aussicht auf noch höhere elektrische Leitfähigkeit

„Dies ist besonders wichtig bei der Elektrifizierung von Verkehrsmitteln, sei es bei Elektrofahrzeugen, Drohnen oder Flugzeugen, die eine große Anzahl von Leitungskabeln mit möglichst geringem Gewicht erfordern“, sagte Dr. Vilatela. „Auch für Freileitungen, die oft durch ihr eigenes Gewicht eingeschränkt sind, ist dies vielversprechend.“

„Wir haben eindeutig nachgewiesen, dass die Interkalation in der Gasphase die Leitfähigkeit kommerzieller CNT-Fasern deutlich über ihre bisherige Obergrenze hinaus steigern kann. Das liefert sowohl eine rekordverdächtige elektrische Leitfähigkeit als es auch die Aussicht auf weitere Steigerungen bietet“, schloss de Isidro Gómez.

Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Science“ veröffentlicht und stellen einen Durchbruch für die Zukunft der Elektrifizierung in der Luft- und Raumfahrt, bei Elektrofahrzeugen (EVs), Drohnen und verwandten Anwendungen dar, die leichte und hochfeste elektrische Leitungen erfordern. Diese Veröffentlichung ist das Ergebnis einer Zusammenarbeit mit der Gruppe „Nanoscopy on Low Dimensional Materials“ (NLDM) am Institut für Nanowissenschaften und Materialien von Aragon (INMA), einem gemeinsamen Zentrum des spanischen Nationalen Forschungsrats (CSIC) und der Universität Zaragoza (Unizar), unter der Leitung von Dr. Raúl Arenal (Araid-Forscher). Die Forschungen wurden zudem in Zusammenarbeit mit der Technischen Universität Madrid (UPM) und Forschern der Universität Zaragoza am INMA (CSIC-Unizar) durchgeführt.

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