以鋁提升電動車續航力：一場材料革命的探索

挪威路上電動車眾多，每輛車裡都有不少導電體。這些導電體在車輛總重量中佔有相當比例。

挪威科技大學（NTNU）的博士研究生約根·A·瑟豪格（Jørgen A. Sørhaug）表示：「歷史上，導電體大多由銅製成，原因很簡單，銅具備出色的導電性、可加工性和強度。」

銅確實非常適合作為導電體，但它有個缺點：重量頗重，也就是科學家所稱的高質量密度。瑟豪格指出：「因此，銅在電動車中的重量貢獻不容小覷。」

車輛重量會影響電動車的能源效率，進而影響續航里程。所以，減輕車重能帶來諸多好處。那麼，若不想大量使用銅，解決辦法是什麼呢？

瑟豪格稱：「鋁是銅的理想替代品，它的導電性與銅相近，可加工性良好，新增合金（即與其他元素混合）後強度也不錯。而且，鋁比銅輕得多。」

這意味著，若能在導電體中用鋁取代部分銅，車輛既能減輕重量，又能提高能源效率。瑟豪格和他的同事們在其博士研究工作中，正是在探索此事。

他們正在製造由銅和鋁混合而成的「混合」導電體。瑟豪格表示：「在我們的專案裡，透過焊接製造出了銅鋁混合的導電體，而後對其進行了詳細的測試和研究。」

製造如此高質量的導電體並非易事，而冷焊技術有助於發揮金屬的良好特性，且不一定會犧牲導電性。

在焊接過程中，鋁和銅在接觸面的原子層次混合，通常溫度越高，混合效果越好。然而，此時金屬間常會形成脆性晶體，也就是所謂的金屬間化合物相，其導電性比純金屬差。所以，要盡量減少此類晶體的產生，這就表明高溫焊接並不可取，因為這會降低導電性和強度。

瑟豪格說：「因此，我們研究了冷焊技術，並採用了獲得專利的混合金屬擠壓接合（Hybrid Metal Extrusion Bonding）技術。」

這項通常簡稱為HYB的技術，是由挪威科技大學研發的。研究人員稍後運用各種電子顯微鏡技術研究焊接處，包括精密電子衍射、高解析度透射電子顯微鏡和X射線分析等方法。所幸，一般人無需瞭解這些先進方法的具體原理，但研究結果令人振奮。

瑟豪格稱：「我們發現，HYB技術比其他冷焊技術更適合連線鋁和銅。金屬介面會形成薄且生長緩慢的金屬間化合物層。這很有益，因為它有助於防止導電體的機械和電氣效能發生變化。」

在鋁能取代部分銅之前，仍需更多研究。純鋁在機械效能上比銅弱，這是個劣勢。

可以透過製造合金來提高鋁的強度。新增精心計量的其他物質，即所謂的「合金元素」。此外，還要對合金進行熱機械處理，在再次熱處理之前，先進行軋製或其他成型加工。

瑟豪格表示：「但鋁合金通常對高溫敏感，焊接一般會削弱其強度。因此，我們也在原子層面研究強度降低的原因，以及如何改進合金以更好地耐熱。」

瑟豪格參與的專案今年結束，但挪威科技大學和挪威工業科技研究院（SINTEF）已獲得新專案，繼續研究鋁和銅的冷焊。目標是在奈米尺度上更好地控制溫度和塑造塑性變形。

海德魯公司（Hydro ASA）、科爾維斯能源公司（Corvus Energy AS）和格朗教授公司（Professor Grong AS）也參與了此次合作。

挪威科技大學物理學教授蘭迪·霍爾梅斯塔德（Randi Holmestad）表示：「我們希望在瑟豪格的研究基礎上，打造鋁和銅之間更強的冷焊連線。」

霍爾梅斯塔德也是瑟豪格博士研究期間的指導教授之一，另一位指導教授是挪威工業科技研究院的高階研究科學家佩爾·埃裡克·武勒姆（Per Erik Vullum）。

霍爾梅斯塔德解釋道：「透過微結構設計和最佳化焊接幾何形狀，我們將在介面處形成奈米結構，提高強度和導電性。這在電氣應用方面尤為重要，比如科爾維斯能源公司的電池系統。」

挪威科技大學和挪威工業科技研究院與業界合作，為挪威生產新型先進的多材料部件和產品奠定了基礎。大家期望這項研究有朝一日能助力打造更輕、更高效的電動車。