Le plus grand rival du cuivre à ce jour ? De nouvelles fibres de nanotubes de carbone pourraient révolutionner le câblage des véhicules électriques, des drones et des avions.
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Des chercheurs espagnols ont mis au point un procédé de fabrication à grande échelle de fibres de nanotubes de carbone (CNT) présentant une conductivité électrique comparable à celle du cuivre et de l'aluminium. Ce résultat, publié dans la revue Science , représente une avancée majeure pour l'avenir de l'électrification dans les secteurs de l'aérospatiale, des véhicules électriques, des drones et autres applications connexes, qui nécessitent des câblages électriques légers et haute résistance.
Les nanotubes de carbone sont considérés depuis longtemps comme des éléments de base idéaux pour les conducteurs électriques, grâce à leur combinaison unique de faible densité et de propriétés électriques, thermiques et mécaniques.
Jusqu’à présent, cependant, ils n’ont pas offert la conductivité électrique requise pour constituer une alternative réaliste à l’échelle industrielle aux matériaux traditionnels, notamment au cuivre.
Progrès dans le domaine des fibres CNT à haute conductivité
« C’est la première fois que des chercheurs obtiennent des résultats avec des fibres de nanotubes de carbone démontrant des performances suffisantes à cet égard pour offrir une alternative industrielle réaliste aux matériaux conducteurs traditionnels », a déclaré le Dr Juan José Vilatela, chercheur principal chez IMDEA Materials et l’un des auteurs de la récente publication.
Plus précisément, les chercheurs ont pu produire des fibres de CNT intercalées en phase gazeuse avec une conductivité à température ambiante pouvant atteindre 24,5 MS/m (mégasiemens par mètre), soit près de la moitié de celle du cuivre, mais six fois plus légères.
Compte tenu de cet avantage de poids considérable, ces résultats démontrent que les conducteurs électriques combinent non seulement un rapport poids/performance nettement amélioré, mais aussi des niveaux de conductivité absolue qui répondent aux exigences industrielles.
Comment fonctionne le processus de dopage à l'AlCl₄
L'un des éléments clés de la recherche, menée par l'Institut des Matériaux IMDEA en collaboration avec l'Université Technique de Madrid (UPM) et des chercheurs de l'Université de Saragosse à l'INMA (CSIC-Unizar), a été l'introduction de tétrachloroaluminate (AlCl4) pour s'intercaler dans les fibres de CNT.
L'AlCl₄ agit comme dopant et peut être introduit dans le réseau de fibres de nanotubes de carbone sans le perturber. En préservant la structure originale des faisceaux de nanotubes de carbone, le dopage accroît la conductivité tout en conservant leurs propriétés mécaniques exceptionnelles.
« De plus, l'AlCl₄ offre un effet dopant important sans augmenter excessivement le poids, par rapport aux autres dopants que nous avons étudiés », explique l'auteure principale et chercheuse en matériaux à l'IMDEA, Ana Inés de Isidro Gómez.
Plus précisément, les chercheurs ont démontré qu'en dopant les fibres CNT hautement alignées avec l'AlCl4 , ils étaient capables d'obtenir une augmentation de plus de 17 fois de la conductivité électrique des fibres en vrac.
Il en a résulté une conductivité spécifique moyenne supérieure à celle du cuivre, la valeur mesurée la plus élevée étant supérieure à celle de l'aluminium.
Impact potentiel sur les réseaux de transport et d'électricité
« Ceci est particulièrement important pour l’ électrification des transports , qu’il s’agisse de véhicules électriques, de drones ou d’aéronefs, qui nécessitent un grand nombre de conducteurs d’un poids minimal », a déclaré le Dr Vilatela. « Cela est également prometteur pour les lignes électriques aériennes, souvent limitées par leur propre poids. »
Selon les auteurs de l'étude, les fibres de CNT dopées seraient cinq fois plus résistantes que les câbles aériens classiques, tout en pesant deux fois moins.
La recherche a été réalisée par le doctorant d'IMDEA Materials Isidro Gómez, le Dr Vilatela, le Dr Anastasiia Mikhalchan et le professeur Javier LLorca, directeur scientifique d'IMDEA Materials et professeur à l'UPM, en collaboration avec l'ancien chercheur d'IMDEA Materials, le Dr Valentín Vassilev Galindo (UPNA).
Cet article est le fruit d'une collaboration avec le groupe Nanoscopie sur les matériaux de basse dimension (NLDM) de l'Institut de nanoscience et des matériaux d'Aragon (INMA), un centre commun du Conseil national espagnol de la recherche (CSIC) et de l'Université de Saragosse (UNIZAR), dirigé par le Dr Raúl Arenal (chercheur ARAID).
Ce travail, réalisé par le Dr Mario Peláez Fernández et le Dr Arenal, a été mené au Laboratoire de Microscopie Avancée (LMA), l'un des nœuds de l'Infrastructure Singulière Scientifique et Technique ELECMI (ICTS ELECMI).
« Nous avons démontré de manière efficace que l'intercalation en phase gazeuse peut augmenter considérablement la conductivité des fibres de CNT commerciales au-delà de leur limite précédente, offrant à la fois une conductivité électrique record et la perspective d'augmentations supplémentaires », a conclu de Isidro Gómez.