電對現今社會來說相當重要,一條條的電線就這樣從設備到牆壁、沿著街道,串起了我們的生活。從電子設備到海底電纜,早期的電力大多是透過銅線進行傳輸的。然而銅屬於地球上的有限資源,隨著人們的需求越來越多,銅礦的數量也開始慢慢減少,導致銅的價格變得越來越貴。隨著人類技術不斷進步,是否有其他更易取得、導電性更佳、更便宜的金屬可以取代銅?

銅金屬有何缺點?

金屬之所以能導電,是因為自由電子,而電線便是透過金屬能導電的特性,讓電荷可以自由地從一個地方移動到另一個地方。不同的金屬材料中,自由電子的情況不同,導電能力也有所不同。當可以自由流動的電子越多,速度越快,金屬的導電性就越好。

雖然目前大多數國家電線和電器設備都使用銅作為傳導的金屬,然而,銅並非最完美的導電材質。

銅礦屬於地球上的有限資源,雖然是 100% 可回收的金屬,但由於需求大量增加,因此價格仍持續攀升中,甚至在華爾街投行高盛的報告中被稱作「新石油」

除此之外,銅金屬的質量也相當大,因此也會影響產品的重量。特別是作為未來交通工具趨勢的電動車,使用的銅是傳統汽車的四倍,因此許多車廠也開始尋找更好、更輕的金屬試圖取代銅。許多高壓電線也開始導入鋁線,因為重量較輕,代表能串接的距離也更遠。

鋁是地表上最豐富的金屬之一,也比銅礦更容易挖掘。雖然鋁的導電度只有銅的 60%,但重量也只有銅的三分之一,也就是相同重量下,鋁的導電度可以達到銅的二倍。更重要的是,鋁的成本比銅便宜多了!

如何提升鋁的傳導性?

為了提高導電性,世界各地的材料科學家一直不斷地在尋找更完美的原子排列。他們的主要目標是提高金屬的純度,去除雜質的或任何可能影響電荷流動的因素。如果鋁的導電率能達到銅的 80% 到 90%,也就是說,如果鋁的導電率可以提高,那麼鋁取代銅的可能性就更高了。

然而,過去幾乎沒有增加金屬導電性的相關研究,大多研究都是針對半導體和絕緣體。西北太平洋國家實驗室(PNNL)的一項新研究就對金屬的傳導機制提出新的見解,這可能大大改變人類的未來。

目前世界上 95% 的鋁業公司都使用拜耳法(Bayer process)生產氧化鋁,接著利用霍爾—埃魯法(Hall–Héroult process)將氧化鋁熔煉成金屬。這兩項技術的聯用大大提高了鋁的產量,也擴大了鋁的應用範圍,至今仍然是主要的工業制鋁方法。

不過,在熔煉鋁的過程中,需要加熱到接近攝氏 1000 度,使其成為熔融狀態,因此生產鋁需要的能源大約是生產銅的四倍。這樣的生產過程不僅對環境相當不友善,對於石墨這樣的添加劑來說,溫度也太高了,很容易影響煉製出來的產物。

而 PNNL 的研究人員則改採用一種稱之為「固相製造」solid-phase manufacturing)的技術,在較低的溫度下利用剪力(shearing forces)和摩擦力,讓碳和金屬進行反應。要成功的關鍵,還是要在足夠高的溫度下進行,但目的只是要讓鋁變得比較靈活,也就是讓其具有塑性,而不是熔化。

這讓研究人員能夠更精細地進行控制,然後之後再透過電腦進行模擬和驗證。團隊目前的第一步是先嘗試生產由全新的鋁合金製成的電線,從公分開始測試,慢慢延長到幾公尺長度。接下來,團隊將嘗試製造條狀和片狀材料,這些材料都需特過一連串地測試和檢驗,以確保它們不僅更具導電性,而且也足夠堅固和靈活。

如果未來這些材料真的順利通過了這些測試,將可大量用於工業用途。團隊也將與製造商合作,生產更多的鋁合金。

本文開放合作夥伴轉載,參考資料:WIREDMediumPNNL,首圖來源:Unsplash