电池驱动汽车材料挑战与 Cop26 气候大会淘汰汽油柴油汽车时间表

电池驱动汽车材料挑战与 Cop26 气候大会淘汰汽油柴油汽车时间表

电池驱动汽车所需的材料给化学家和化学工业带来了新的挑战。

内燃机尚未消亡，但可能已经开始走向衰亡。2021 年 11 月，在英国格拉斯哥举行的 Cop26 气候大会上采取的几项大胆举措之一是宣布到 2040 年在所有市场逐步淘汰汽油和柴油汽车，到 2035 年在主要市场逐步淘汰：许多欧洲国家已经设定了更早的日期，英国选择 2030 年。即使这个时间表对许多人来说似乎慢得令人沮丧，但考虑到其通常较长的交货时间，这可能是汽车行业可以支持的最早时间。

电动汽车的化学反应

这种从汽油和柴油，以及更普遍意义上的石油和天然气向电力的转变，不仅仅是受到监管的推动，甚至仅仅是受到气候紧急情况的推动。2021 年 11 月的 Cop26 夹在 2021 年 9 月的英国石油危机和俄罗斯与乌克兰之间的灾难性冲突之间。石油危机可能是短暂的，而且相对不重要，但去年秋天，英国很少有人会轻易忘记加油站关闭后加油的困难，或者需要排队数小时才能加满油箱。俄罗斯和乌克兰冲突带来的变化不那么直接，但更为严重和广泛，欧洲对俄罗斯石油和天然气的依赖尤其成为一个安全和环境问题。此外，俄罗斯并不是唯一一个坐拥世界剩余化石燃料储备并带来不良后果的政权，沙特阿拉伯和卡塔尔政府也带来了一些麻烦。

对于许多人来说，汽车或货车是满足其交通需求的唯一可行解决方案。

这些全球趋势加速了人们对替代汽油的兴趣。今年欧洲销售的所有汽车中约有 12-15% 可能是电动汽车。EV 是英国九个创新中心之一，与企业合作在广泛领域开展后期研发。它对城市、交通和地点的关注与 2019 年提出的到 2050 年实现温室气体净零排放的挑战相呼应。它正在大力投资减少英国交通运输总排放量 27% 的项目，重点是低排放和零排放汽车。

“显然，在促进行为改变方面，我们可以发挥一定的作用，让人们更容易选择步行、骑自行车或乘坐公共交通工具，以及创新的‘出行即服务’解决方案，例如现在广泛使用的电动滑板车，” 高级技术专家 Alan 表示。“但对许多人来说，汽车或货车是满足他们交通需求的唯一可行解决方案。因此，我们必须确保私人交通尽可能清洁，这意味着电动汽车。”

未来的汽车无论自动驾驶还是手动驾驶，无论个人拥有还是共享，几乎都必然是电动汽车。虽然纯电动汽车不消耗碳氢化合物燃料，但制造纯电动汽车所需的精细化学品、塑料和聚合物比传统汽车要多。

严格的标准

电池电动汽车（通常称为 BEV）具有强大的电动牵引马达，可取代内燃机，并且没有燃油泵、燃油管路或油箱。因此，它没有排气管，因此没有“排气管排放”（用于评估其他类型车辆的排放或其他方面的关键统计数据）。这与各种形式的混合动力电动汽车形成对比，混合动力电动汽车包含电池，但仍有汽油或柴油发动机。由众多锂离子电池组成的大型电池组位于汽车地板下，驱动电动机，电动机的动力通过电动变速器传输到车轮。冷却液系统围绕着车辆的电气和电子元件，以隔离它们并使其保持在安全的工作温度。

汽车电池必须冷却、电绝缘且防撞

只有当电动汽车制造所用的材料具有一组特定的特性（无论是单独还是组合）时，电动汽车才能安全高效地运行。汽车的部件承受着极高的电压、温度和应力，因此某些部件必须完全电隔离，汽车也必须能够承受这种应力。必须保护电池免受碰撞损坏以防止起火，整个汽车必须由低密度材料制成以减轻汽车的总重量。这个问题限制了早期车型的采用。材料还必须尽可能耐用和便宜。“到目前为止，BEV 仅渗透到高端市场，”他说。“制造成本必须下降，但除非汽车价格普遍降至二手车的价格，否则不太可能实现广泛采用。”

最后，即使是像颜色这样看似平凡的东西也可能是一个问题：用于指示常见危险（如高压电缆）的颜料必须是稳定的。因此，一些世界顶级化学公司迅速进入这一领域也就不足为奇了。

氟聚合物是电气绝缘涂层的理想材料

如今汽车中的锂离子电池比我们手持电子设备中随处可见的同类电池更耐冲击。保罗说：“电动汽车地板中的电池包装以及电池之间的隔板不仅在正常使用期间必须提供完整的绝缘和保护，而且在发生碰撞后可能发生的灾难性故障时也必须提供完整的绝缘和保护。”保罗是伦敦大学学院化学工程教授，也是法拉第研究所资助的由六所英国大学和工业合作伙伴组成的联盟的成员。

此外，电机和传动系统部件的功率密度也越来越高。这就要求电机具有更好的绕组线性能，在功率相同的情况下电机尺寸更小，并通过设计简单和使用更少的材料实现更高的扭矩和速度，从而降低成本。目前的标准电线涂层很容易因高温、高压和电机频率而退化，并失去其绝缘和电气性能。新型含氟聚合物被视为具有理想性能的下一代材料，适合满足这些应用。

这家日本跨国化工公司原本专营空调，这意味着它凭借在氟碳化学方面的专业知识，完全有能力进入这个市场。“由于碳氟键的独特性质，氟聚合物是电机绕组应用的电气绝缘涂层的理想选择，”大金化学位于德国多特蒙德的欧洲创新中心应用开发副总裁 Peter 说道。“这是化学中最强的共价键之一，由于其极性和氟原子周围的高电子密度，很难断裂。这些化合物非常稳定，因此具有独特的电气、机械、化学和热性能，使其成为开发更高性能电线材料等要求严苛的应用的理想选择”。

安全问题

总部位于德国的化工巨头巴斯夫既是汽车行业的专家，也是可持续发展的先驱：例如，2008 年，它是世界上第一家记录和公布自身二氧化碳排放量的大型制造公司。该公司的化学材料非常适合用于电动汽车，巴斯夫的化学产品用于电动汽车车身、冷却剂、防腐涂料，也许令人惊讶的是，还用于特种着色剂。

电动汽车电池的冷却剂还有防止潜在放电的额外要求

所有汽车都需要冷却剂来防止发动机过热并可能引发火灾，但电动汽车中的冷却剂尤其重要，因为涉及更高的温度和电压。汽车行业使用的典型冷却剂主要由水和乙二醇的混合物组成。这两种液体都是必需的，因为它们具有特定的物理特性：水的热容量和热导率高，可以使整个车辆的电池快速散热，而乙二醇的熔点低，这对于在寒冷气候下使用的车辆至关重要。水和乙二醇的 1:1 混合物在温度达到 -37°C 之前不会结冰。冷却剂的其他成分（略高于痕量）是有机或无机腐蚀抑制剂，用于保护冷却剂回路的金属部件（铝、铜、钢或其他合金）免受损坏。

巴斯夫正在开发新一代更安全的冷却液，其电导率更低，可防止触电和火灾。巴斯夫德国汽车用油技术营销高级经理表示：“即使电池在事故中受损，冷却液直接接触，我们的新型电气化冷却液也不会与电池的高压组件发生反应。我们通过使用极性较低的乙二醇衍生物以及离子解离趋势较低的非离子型缓蚀剂或离子型缓蚀剂来实现这一点。”

自 20 世纪 40 年代 RAL 色卡系统完成以来，可以使用字母 RAL 和四位数字代码指定 40 种标准化颜色中的任何一种。“几年前，德国汽车行业的一个工作组找到我们，要求我们设计一种明亮且易于识别的警示色，用于标记电动汽车的高压组件。”巴斯夫高性能材料研发高级副总裁 Josef Wünsch 说道。“他们要求我们设计一种容易识别的橙色色调 [在颜色列表中描述为柔和的橙色]；我们的挑战是生产出一种能在车辆整个使用寿命期间保持稳定的配方。”仅由红色和黄色颜料混合制成的橙色色调很快就会褪成棕色，但巴斯夫的研究人员已经能够生产出一种无机颜料和有机染料的混合物，它完全符合规格，经受住了时间的考验。

Epoxy 成立于 1932 年，总部位于德国，目前业务遍及整个欧洲，是另一家在电动汽车制造领域发挥重要作用的化学品公司。20 多年来，Epoxy 的轻质耐用发泡聚丙烯和发泡聚苯乙烯泡沫一直用于制造模制汽车部件。然而，这些材料还具有物理特性，使其成为电池组中电池隔板的理想选择。它们是出色的热绝缘体和电绝缘体，即使汽车发生碰撞，也能大大降低电池组件之间或外部热量散失或产生高电流的风险。

回收要求

可以假设没有尾气排放的汽车在其使用寿命内实现净零排放，至少如果它们由可再生能源驱动（不受制造商或驾驶员控制）。但是，只有在制造和处置不产生排放且其组件可回收利用的情况下，它们才能被视为完全净零排放。至少，事实证明这些电池的使用寿命比行业专家最​​初预期的要长得多。“典型的锂离子电池在多达 1,000 次充电周期后仍能保持‘足够高效’，”Shear 说。“两次充电之间的典型续航里程约为 250 英里，相当于 250,000 英里……很少有传统汽车能达到这一续航里程，因此电池的使用寿命可能比汽车更长。事实上，电池在其原始容量的 80% 左右时就“退役”了，它仍然有许多潜在用途，只是不适用于电动汽车。最终取代锂离子电池的电池应该更加高效和耐用。

电池的使用寿命为 1,000 次充电周期，其寿命可能比汽车本身更长

大型商用车对汽车制造商来说是一个特别的挑战，因为它们强大的电池需要更多的资源来保持充电。一辆典型的卡车需要的电池容量约为中型私家车电池容量的八倍。“为了高效地运送货物，电动卡车的电池必须能够在驾驶员合法驾驶前不充电的情况下运行，即 4.5 小时，”约翰森说。“它们还必须快速充电，这给充电站带来了进一步的压力。”然而，目前正在考虑气候友好型公路货运的替代解决方案。西门子正在德国高速公路的几段路段上进行试验，通过类似于火车使用的架空受电弓为卡车供电。

未来几十年，汽车和卡车将成为我们生活的一部分。如果我们要及时（甚至更久）迎接真正的净零排放挑战，避免气候崩溃的最严重后果，如果我们要摆脱不稳定或专制政权进口化石燃料的束缚，下一代电动汽车必须更具可持续性，“从摇篮到坟墓”，尽可能多的零件易于回收。或许最重要的是，它们必须对普通驾驶者来说更实惠。一个重要的进步是用一种或多种使用廉价、可回收和易得材料的电池类型取代锂离子电池技术。满足未来电动汽车对这些材料和其他材料的技术要求必将为化学家提供更多机会。