告别铜线?高导电碳纳米管电缆问世,助力全“碳”无金属电机!
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










问 在电动汽车电机中的应用上 铝会取代铜吗?碳纳米管是否发挥作用?