在追求极致轻量化的今天，电动汽车和航空航天的每一克减重都至关重要。长期以来，铜（Cu）和铝（Al）统治着导电领域，但其笨重的身躯和生产中的碳排放正成为技术瓶颈。
近日，韩国科学技术研究院（KIST）等团队在《Advanced Composites and Hybrid Materials》上发表重磅研究：通过创新的液晶辅助表面织构（LAST）工艺，研制出超高导电性的碳纳米管（CNT）核鞘复合电缆。这款电缆不仅减重80%，更成功驱动了无金属电机模型车！
一、 痛点：传统金属电缆的“体重危机”
随着全球能源转型，电气布线需求激增。然而，传统金属材料面临两大难题：
密度大： 铜的密度高达 8.9g/cm³，在航空航天和高性能EV中严重限制了能效。
环境负荷： 金属采矿与精炼过程伴随着巨大的能源消耗与碳足迹。
碳纳米管（CNT）凭借超高的机械强度和轻质特性，被誉为“下一代导电材料”。但在宏观组装成电线时，往往面临导电性不足、金属催化剂残留、取向差等挑战。
二、 突破：LAST工艺，给CNT做一次“深度净肤”
为了攻克导电难题，研究团队开发了液晶辅助表面织构（LAST）工艺。
1 液晶自组装
研究者将CNT粉末溶于氯磺酸（CSA）中，形成向列相液晶溶液。CSA使CNT表面质子化，产生的静电斥力让CNT在液体中均匀分散，通过湿法纺丝，在剪切流作用下实现了CNT的高度单轴取向。
2 原位清洁机制
这是本研究的神来之笔：当溶液进入凝固浴时，CSA会原位生成盐酸（HCl）。
传统CNT： 表面布满铁（Fe）催化剂颗粒，阻碍电子传输。
LAST处理后： 铁含量从 12.7% 骤降至 0.8%。
这种工艺既“洗净”了杂质，又保留了CNT完美的晶体结构。
三、 性能：电导率暴增133%，比性能比肩金属
实验数据显示，经过LAST处理的CNT电缆表现惊人：
导电率： 从 5.8 MS/m 提升至 7.7 MS/m。
取向因子： 几乎翻倍（从13.9增至26.4），显著降低了结电阻。
超轻量化： 密度仅为 1.7 g/cm³。
核心对比： 虽然绝对导电性尚不及铜，但由于CNT极轻，其比转速（Specific RPM）表现与铜几乎持平（CNT 43.4 vs 铜 47.8 RPM/mg）。这意味着在相同重量下，CNT电缆能发挥出与铜线相当的动力效能！
四、 应用：无金属电机，跑起来了！
研究团队不满足于实验室数据，他们利用这种核鞘复合电缆（CSCEC）绕制成线圈，制造了一台无金属电机。
实测表现：
在 3V 电压下，电机转速高达 3420 RPM。
搭载该电机的模型车在沥青路面上以 0.52 m/s 的速度稳健行驶。
模型车轻松行驶25秒到达终点，证明了碳基材料在实际动力系统中的可行性。
五、 未来已来：碳基能源传输新范式
【专家观点】
该研究的创新之处在于，它不仅提供了一种提升CNT导电性的新方法，更通过“核鞘结构”设计，解决了CNT与宏观绝缘聚合物的复合难题。
虽然目前CNT电线的绝对导导电率仍需进一步提升，但其展现出的减重80%的潜力，已足以为无人机、卫星以及超远程电动汽车开启新的设计窗口。
未来方向：
进一步优化CNT的长径比与排列度。
开发更高效的绝缘涂层，以适应高压环境。
「文献信息」
标题： Core-sheath composite electric cables with highly conductive self-assembled carbon nanotube wires...
期刊：[Advanced Composites and Hybrid Materials ](https://link.springer.com/article/10.1007/s42114-025-01302-4)(2025)
DOI： 10.1007/s42114-025-01302-4
电动汽车电机中，铝会取代铜吗？
电动汽车电机定子绕组采用发夹式绕组是其生产工艺的一项重大变革，其优势在于直流功率损耗更低、填充率更高（约70-80% 对比约45%），且散热性能优于绞合绕组。发夹式绕组取代了传统的绞合绕组，使效率提高了0.5-1%。发夹式绕组是一种先进的电机定子绕组技术。它使用预成型的U形扁平铜条（发夹）代替圆形导线。这些发夹被放置在定子槽中，并在两端焊接形成绕组。
铜的成本约为铝的4-5倍，因此问题是：铝是否可以取代铜？铜的电阻率为0.017241 (Ω·mm²)/m，而铝的电阻率为0.0282 (Ω·mm²)/m。铜线的电阻是铝线的60%，因此要达到与铜线相同的电阻，铝的横截面积需要大约是铜的1.6倍。铝的重量比铜轻3.3倍，这意味着铝导体的重量只有铜导体的一半。
一家知名电动汽车制造商的铜定子绕组重约3.5公斤。如果用铝代替，定子绕组的重量将约为1.75公斤，成本降低7-8倍。
与生产铜相比，生产铝对环境的影响要小得多。铜的热导率（~400 W/m·K）远高于铝（~237 W/m·K），这意味着铜绕组散热性能更好，运行温度更低。铝绕组需要更完善的冷却系统。铝受热膨胀更大，需要特殊的连接方式。发夹式绕组的出现带来了一些非常有趣的现象。继续阅读！
关于发夹式绕组，我阅读过许多科学研究，这些研究表明，在高频下，铝的交流损耗比铜低。在低频下，相同横截面积的铜的直流损耗低于铝，但在高频下，交流损耗远大于直流损耗。例如，在 2 kHz 的频率下，铜的交流损耗约为直流损耗的 3.5 倍，而铝的交流损耗则比铜低约 50%！因此，使用铝更具优势，因为它比铜的交流损耗更低，采用铝绕组的电机可能效率更高！
这是一个非常有趣的发现，让我非常惊讶，所以我很好奇第一台采用铝绕组的汽车电机何时会出现。虽然还有许多技术问题需要解决，但用铝代替铜可以延长电动汽车的续航里程，并使其生产更加环保。
韩国科学技术研究院（KIST）的科学家们开发出一种新型轻质、高导电性的碳纳米管（CNT）导线，完全取代了铜和铝。他们利用一种名为“溶致液晶辅助表面织构化”（LAST）的工艺，制造出芯鞘复合电缆（CSCEC）。这种电缆不仅导电，而且柔韧，最重要的是极其轻便。
每根CSCEC导线（含绝缘层）仅约0.3毫米厚。具体来说，其导体芯直径约为256微米，鞘层厚10微米。这大约相当于一张名片的厚度，却仍能为旋转的电机供电。
迄今为止，这些CSCEC导线已足以替代一辆模型车上基于碳纳米管的小型电机的所有铜线圈。
KIST的金大润博士表示：“通过开发前所未有的新型碳纳米管高质量技术概念，我们得以最大化碳纳米管线圈的电气性能，从而驱动无需金属的电机。”
关键就在于LAST工艺。利用溶致液晶（一种具有液体流动性但保留晶体方向有序性的物相）有助于将原本聚集的单个碳纳米管排列并分离。结合化学冲洗，该工艺还能去除制造过程中产生的金属催化剂杂质，同时保留使碳纳米管如此独特的关键一维纳米结构。
LAST工艺将导电率提升了130%以上，大幅减轻了重量，并保持了CSCEC性能的长期稳定。
在关乎效率、电池寿命、续航里程以及一切“更远、更快、更高”等指标方面，重量至关重要。
传统的电机虽然通常比内燃机（ICE）轻得多，但仍然相对较重。其中相当一部分重量可归因于定子中的铜绕组，更不用说车辆线束中所有相关的铜导线了。
KIST的最新进展虽特指电机应用，但人们希望这项技术也能应用于通用电气布线。
以纯电动汽车（BEV）为例：特斯拉Model S的前电机重约70磅（31.8公斤），后电机重约80磅（36.3公斤）。其中约25%的重量来自铜绕组。如果改用CSCEC导线，前后电机的总重有望从150磅（68公斤）降至约115磅（52.2公斤）。
对于一辆自重已达4561磅（2069公斤）的汽车来说，这似乎不算巨大减重，但还需考虑转动惯量的降低。更小的旋转质量意味着更快的加速响应、更好的油门响应、更高效的扭矩传递以及更低的机械损耗。热负荷也会降低，因此冷却系统可以做得更小更轻。这是一个连锁效应，最终只会带来更长的电池寿命和续航里程。
当然，以上只是基于特斯拉实际数据的假设。然而，KIST测试其电机时使用的电压仅为2-3伏，功率3.5瓦 —— 远低于任何大于儿童玩具的实际电动汽车的功率水平。
既然我们已在进行假设性探讨，不妨再进一步推测：虽然没有公开数据显示Joby（空中出租车公司）的实际用铜量，但据合理推测，其所有冗余系统的线束重量可能在200-300磅（91-136公斤）之间。它有六个电机，每个电机的铜绕组可能重约30-40磅（13.6-18.1公斤），总计180-240磅（81.6-108.9公斤）。
再次强调，KIST目前仅讨论了低压电机绕组。但如果研究人员能够将CSCEC应用于高压和通用布线领域，我们谈论的将是让世界领先的空中出租车减重300-500磅（136-227公斤）。我敢打赌，如果你问任何一位Joby工程师是否愿意让他们的电动垂直起降飞行器（eVTOL）减重四分之一吨，他们很可能会震惊地看着你，然后立刻表示同意。
回到现实世界，迄今为止的研究还存在一些其他限制和注意事项。
即使在经过LAST工艺处理后，碳纳米管导线的原始电导率仍无法与铜媲美（约7.7兆西门子/米 vs 铜的59兆西门子/米）。在相同物理尺寸和电压下，流经碳纳米管导线的电流更小，导致输出功率降低。例如，在KIST的研究中，基于碳纳米管的电机最高转速为3420 RPM，而同等铜电机达到了18120 RPM。
但是，碳纳米管电机的导体芯重量仅为铜电机的五分之一。这意味着其“比转速（一个重要的航空指标，在该领域中重量通常比力更重要）”仅比铜低约6%。因此，在单位重量性能方面，碳纳米管并没有落后铜太多。
其次是成本问题。专用的碳纳米管芯鞘复合电缆的制造成本可能高达每公斤375-500美元，而铜的成本相对低廉，仅为每公斤10-11美元。
而且，你也无法简单地在现有产品中将铜直接替换为碳纳米管技术。工程师们必须从头开始重新设计一切，以适应新型绝缘材料和绕组几何结构。
研究人员表示，更多的微调 —— 如优化聚合物鞘层或更好地排列碳纳米管 —— 可以提升导电率，进一步缩小与铜的差距。
尽管碳纳米管能显著减轻材料质量，但其制造过程也带来了沉重的环境代价 —— 大多数碳纳米管仍由化石燃料通过高能耗工艺制造，并产生有毒副产物，我们仍需应对。例如，LAST工艺使用氯磺酸，并在冲洗阶段产生盐酸。
～已被NEDO援助项目采用，并开始实用化研究开发工作～ 2015年6月16日furukawaelectric.com
本公司与信州大学合作，成功开发出导电率达世界顶级水平的碳纳米管（以下简称“CNT”）导体。该项开发成果，已被国立研究开发法人新能源产业技术综合开发机构（以下简称“NEDO”）实施的援助项目“实现低碳社会的纳米碳材料实用化项目”所采用，今后将进行实用化研究开发工作。
CNT是由结合成六角形的碳原子片材组成的圆筒形结构的物质。重量仅为铜的五分之一，强度却高达钢铁的20倍，电流密度为铜的1000倍，具有出众的特性。CNT作为纳米碳材料之一，有望为电子零部件的轻量化和大幅提升性能做出贡献，是实现低碳社会不可或缺的超轻量、高功能材料。
此次，本公司与世界级CNT研究开发机构——信州大学碳科学研究所（长野县长野市）合作，成功开发出导电率达世界顶级水平的CNT导体。
此外，本公司和信州大学碳科学研究室还以该项开发成果为基础，向NEDO的援助项目“实现低碳社会的纳米碳材料实用化项目”提出以“纳米碳材料轻量导线的开发”为主题的方案，并已获得采用。本公司计划将本项目的一部分委托给信州大学，并在今后2年内进行以CNT为原料的超轻量电线的开发工作，完成可实际耐用的样品。
今后，本公司将充分发挥CNT强度高、重量轻、环境适应性强等特点，致力开展电线的轻量化和低损耗化举措，努力为实现节能社会做出贡献。
【研究背景】
随着全球对轻量化和高效材料需求的日益增长，尤其是在电气布线和移动应用领域，探索金属基电缆的替代方案变得至关重要。传统上，铜（Cu）和铝（Al）因其优异的导电性而被广泛使用，但它们的重量较大，在柔性电子、能源传输、电动汽车和航空航天材料等应用中成为瓶颈。此外，这些传统材料的生产过程还伴随着显著的碳排放。碳纳米管（CNT）作为一种一维纳米材料，凭借其卓越的电学性能、机械强度和轻质特性，成为理想替代品。然而，CNT电线在实际应用中仍面临导电性不足、金属催化剂残留以及宏观组装困难等挑战。
本文介绍的研究通过液晶辅助表面织构（LAST）工艺，成功制备了高导电性的CNT电线，并构建了核鞘复合电缆（CSCEC），用于无金属电机。该工作不仅提升了CNT电线的导电性能，还演示了在比例模型车中的实际应用，为轻量化、可持续能源系统提供了新思路。【结果与讨论】
研究团队采用湿纺工艺制备纯CNT电线。首先，通过将CNT粉末与氯磺酸（CSA）混合形成液晶（LLC）溶液，该溶液在浓度10 mg/mL时显示向列相，证实了均匀分散。随后，LLC溶液通过喷丝头湿纺到丙酮凝固浴中，在剪切流和拉伸流作用下，CNT沿电线方向（WD）实现单轴取向。纺丝后，CNT电线经洗涤和干燥，形成连续结构。最后，将9股CNT电线合并并包裹丙烯酸聚合物绝缘层，制成柔性CSCEC。
图1：用于纺丝原液的CNT LLC溶液的POM图像(a)。通过湿纺工艺生产的高导电连续CNT电线(b)。CNT电线的横截面SEM和TEM图像(c)。由CNT电线和宏观绝缘聚合物构建的柔性CSCEC的宏观图像(d)。CSCEC的横截面SEM图像(e)。使用CSCEC作为线圈制造的无金属电机(f)。在不同电压下无金属电机的转速测量(g)。使用CSCEC的无金属电机的RPM变化(h)。无金属电机的RPM作为输入功率和时间的函数(i)
LAST工艺是提升导电性的关键。该过程基于CNT在CSA中的液晶自组装：CSA使CNT表面质子化，产生静电斥力，克服范德华力，实现CNT在初级水平的均匀分散。当LLC溶液滴入水中时，CSA原位生成盐酸（HCl），有效去除CNT表面的金属催化剂颗粒（如铁），同时保留CNT的一维纳米结构。通过TEM和SEM表征可见，LAST处理后的CNT表面清洁，无金属残留，而未经处理的CNT则存在大量铁颗粒。
图2：LAST过程的示意图(a)。CNT在CSA中溶液LLC相的POM显微照片(b)。LAST处理前后CNT的TEM图像(c)
CNT电线经LAST处理后，导电性显著提升。CSCEC的电导率从5.8 MS/m提高到7.7 MS/m，增幅达133%。这归因于LAST工艺减少了电子传输散射点，并增强了CNT间的接触面积。取向因子（f）从13.9增至26.4，表明单轴取向优化降低了结电阻。同时，XPS和TGA分析证实，LAST处理去除了铁催化剂（残留量从12.7%降至0.8%），且未破坏CNT的晶体结构（拉曼G/D比不变）。
图3：LAST处理前后CNT的XPS光谱(a)和TGA热重分析曲线(b)。从TEM图像测量的CNT壁数(c)和纳米管直径(d)。CNT的RBM光谱(e)和拉曼位移(f)
研究团队将CSCEC用于无金属电机线圈，组装成比例模型车。在3V电压下，电机转速达3420 RPM，模型车行驶速度为0.52 m/s。尽管Cu基电缆的导电性更高（7.4倍），但CNT电线密度仅1.7 g/cm³（Cu为8.9 g/cm³），使得比转速相近（CNT为43.4 RPM/mg，Cu为47.8 RPM/mg）。这凸显了CNT在轻量化应用中的优势。
图5：由无金属电机构建的比例模型车(a)。使用CSCEC的比例模型车行驶速度测量(b)。CNT电线和Cu电线的密度(c)。使用CSCEC和Cu基电缆的电机的比转速(d)。无金属电机在普通沥青路上驱动比例模型车(e)比例模型车行驶10米到达标有“KIST”的红色雕塑 after 25 s(f)
【总结】
本研究通过LAST工艺成功制备了高导电CNT电线，并构建了核鞘复合电缆用于无金属电机。关键创新点包括：
LAST工艺实现了CNT表面清洁和单轴取向，提升了电导率至7.7 MS/m。
CSCEC在轻量化条件下表现出与Cu电缆相当的比性能，密度降低80%。
实际演示证明了无金属电机在模型车中的可行性，为可持续能源系统提供了路径。
然而，CNT电线的导电性仍需进一步提升以匹配金属，未来工作可聚焦于CNT结构优化和绝缘材料开发。
【编辑评语】
该研究在CNT宏观组装和表面工程方面取得了重要突破：LAST工艺不仅清洁了CNT表面，还保留了其本征性能，为轻量化电缆设计提供了新范式。无金属电机的成功演示展示了CNT在替代传统金属导体方面的潜力，尤其在航空航天和电动汽车领域。尽管导电性仍落后于铜，但轻量化优势显著，未来通过优化CNT排序和界面工程，有望实现金属级性能。这项工作为碳基能源传输材料的发展指明了方向。【文献信息】
标题：Core-sheath composite electric cables with highly conductive self-assembled carbon nanotube wires and flexible macroscale insulating polymers for lightweight, metal-free motors
网址：https://doi.org/10.1007/s42114-025-01302-4
DOI：10.1007/s42114-025-01302-4
期刊：Advanced Composites and Hybrid Materials
作者：Ki-Hyun Ryu et al.
出版日期：2025-04-12
文献解读：核心‑护套复合电缆，采用高导电自组装碳纳米管导线和柔性宏观绝缘聚合物，用于轻量化无金属电机
手机
浏览