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未来汽车将至:突破电池动力瓶颈 新材料革命改写行业版图
作者: 佚名 时间:2018-12-5文章来源:访问量:550

始于2009年。当是时,《汽车产业调整和振兴规划》颁发,在政府坚定的新能源政策指引和可观的补贴扶持下,中国开始被一股造车大势席卷,从概念到实操,九年时间,一边泥沙俱下,一边浪里淘金。

狂欢之后,世界终将在规律中运转。

2018年被业界称为“中国新能源汽车爆发年”,年中,新能源汽车市场先后迎来两大新政。6月,新能源汽车财政补贴新政正式实施,以300公里为线,首次明确划分新能源车的续航里程标准,减低补高。7月,国家发改委发布了《汽车产业投资管理规定征求意见稿》,提出新建传统燃油汽车生产企业将不能获得资质,并严格控制现有企业扩大传统燃油车产能,同时加强新建电动汽车企业投资管理,防范盲目布点和低水平重复建设。

这意味着,高质量、整体化的技术创新将成为新能源汽车发展的主要驱动力,而之前依靠增加电池数量、简单减少或改换零部件以追求里程数少量攀升的策略将不再奏效。

风势所向,万物竞长。显然,即便是300公里的续航里程,与传统燃油汽车相比也相差甚远。新能源车续航里程的痛点因此再次成为行业的焦点和发力点。

突破电池动力瓶颈

提升新能源车续航里程,如何增加电池动力是一个久攻不破的硬堡垒。从第一代镍氢电池和锰酸锂电池,第二代磷酸铁锂电池,到目前广为采用的第三代三元电池,电池续航能力似乎一直无法突破电池材料天然的天花板。

有材料显示,现有体系的锂离子电池能量密度基本上很难突破300wh/kg,很难满足未来动力电池的需求。在国家发展新能源车的规划中,2020年,单体电池能量密度要达到350wh/kg,2030年则要达到500wh/kg的水平,这意味着电动车续航里程将比现在翻一番。

需求将变革的可能性延伸到了更加源头的化工产业。

“当前新能源车用锂电池能量密度受关键正负极材料影响很大,”德国特种化工企业赢创工业集团全球汽车工业团队副总裁朱骏表示,“正负极材料的选择和突破是当前大幅增加能量密度更加可行的方案。”

赢创对此提出的解决方案是用纳米尺寸的纯硅粉产品添加到新型负极材料,极大提高了负极材料的能量密度。纯硅负极的理论能量密度可达到石墨材料的10倍,高达4200mah/g。此前公开资料显示,特斯拉通过在人造石墨中加入10%的硅基材料,已在model3中采用硅碳负极作为动力电池新材料,使电池容量达到了至少550mah/g。此外,赢创的纳米结构氧化铝用于锂电池隔膜涂覆,由于其极佳的耐热性,可以有效提高电池的安全性能。

更多的新材料电池在全球的实验室中酝酿。今年5月,继日本政府投资16亿日元支持日本电池制造商及本田、日产和丰田三大主要汽车制造商联合研发固态锂离子电池后,国外老牌车企宝马、保时捷等纷纷投入固态电池研发,同时投身于此的还有德国大陆集团、日本tdk及村田制作所等一大批汽车零部件供应商。

新一轮车用电池创新之战大幕又启。

轻量化来袭,新材料贡献占比近半

福特汽车创始人亨利?福特曾说,任何多余的重量对汽车都是致命伤。

如果说对电池能量密度突破的追求尚且在路上,那么同样有助于增加新能源汽车续航里程的汽车轻量化设计则早已从燃油动力时代开始了应用迭新。

有数据统计,纯电动汽车整车重量降低10kg,其续航里程可增加2.5km。

在越来越急迫的续航里程提升需求下,轻量化思维成为当代主流。中国工程学会轻量化技术创新战略联盟委员会主任陈一龙认为,汽车轻量化中,新材料新技术占比达到41%。

但一直谋求借新能源之机“弯道超车”的中国汽车,在轻量化技术方面却仍落后于国外先进水平。据2017年数据统计显示,就当前主流的轻量化制材镁合金而言,国外乘用车平均用镁量约为5kg,而中国自主品牌车型上用镁量不足1kg。2016年发布的《节能与新能源汽车技术路线图》中指出,2020年,国产单车镁合金用量将达到15kg,2030年将达到45kg。

据资料显示,当前国外汽车上共有60多个零部件采用镁合金,其中方向盘骨架、转向管柱支架、仪表盘骨架、座椅框架、气门室罩盖、变速箱壳、进气歧管等 7个部件镁合金的使用率最高。

但能够促使汽车达成轻量化的材料远不止镁合金等金属,材料的革新性选择决定了谁的起跑线天生靠前。

朱骏表示,汽车通常会通过改善动力系统、降低轮阻、轻量化、流线型设计来降低能耗,而其中,在动力系统、车体造型都与轻量化息息相关。未来的汽车轻量化,将在材料提供的想象力上,实现所有结构的轻量化设计。

赢创提供了一套完整的金属替代方案。例如,名为rohacell?的硬质泡沫可以与碳纤维蒙皮结合形成三明治结构,具有轻质高刚的特性,。是汽车结构件以及机仓盖、车门、车顶等车身覆盖件采用复合材料夹层结构的理想泡沫芯材。新规格rohacell? hero还兼具了高抗冲击性,遇撞击可缓冲变形吸收能量,在三明治结构外层表面形成凹坑,以便对内部纤维状况进行检测。这样既有效避免撞击损伤无法探测而造成的风险,又起到降噪减少nvh(噪音、振动和声振粗糙度)的作用。

除车身外,赢创仍在探索利用高性能聚合物替代车内锚固件、链条、齿轮等金属件的轻量化途径。其研发的高润滑度、耐磨度聚合物vestakeep已被用于车身底部万向链条、变速器零部件、增压系统等方面。稳定性和耐磨性极高的vestamid聚酰胺12则在转向角传感器齿轮传动机构中发挥了耐化耐高温、减噪减震等远胜于金属件的效果。

“如果用这些新材料将整辆汽车的玻璃和可替代金属件进行优化,未来汽车可至少减重40%,”朱骏表示。

指向未来汽车的筹码

如火如荼的全球汽车新能源转型背后,是对未来智能汽车、无人驾驶汽车的无限期待与诉求。

按照美国高速公路管理局(epa)的定义,智能汽车被分为四个层次。从最基本的辅助驾驶,基于车联网的协同驾驶,到有限定条件的无人驾驶,最终到全工况无人驾驶,未来汽车和人类道路交通的方向已然明确。在更宏大的时间线上,续航里程的难点攻关不过是一个小小节点。

2017年12月,工信部发布《促进新一代人工智能产业发展三年行动计划(2018-2020年)》,指出到2020年,将建立起支持车辆智能计算平台体系架构、车载智能芯片、自动驾驶操作系统、车辆智能算法等关键技术、产品研发,构建软件、硬件、算法一体化的车辆智能化平台。

这意味着,以新能源为契机,在新材料的加持下,中国期望通过汽车智能化实现真正的汽车产业弯道超车。

在这个意义下,电动能源、电控系统、轻量车体,将使汽车搭载的智能芯片在传感互联、自动化驾驶、安全性保障等方面发挥出巨大的意义,而这些无一不是未来道路交通的发展趋势。

新材料产业的发展将成为支撑这一趋势的基础设施。如在通讯互联方面,赢创用于打造车身的rohacell?硬质泡沫和透明、防晒、可替代汽车玻璃的plexiglas宝克力材料,相比起当前广泛使用的金属与玻璃材质而言,均具备信号的完全可透性;而当前主要用于智能家居的透明尼龙trogamid?则可以进行传感器植入,并通过3d打印完成特殊功能性部件的制造,这些新的材料在汽车工业中的应用将使未来5g信号得以存在,为真正的智能化城市交通服务,汽车也将真正成为万物万联时代互联网的全新入口。

在更多元材料带来的可能性中,未来的智能化汽车可以跳出当下那些样式相对单调的金属四轮之物投射出更清晰的蓝图。仅以赢创rohacell?模内发泡的技术前景来看,未来汽车将有可能摆脱冲压、焊接的工序实现整体制造,那意味着,任何更加适宜于减少能耗的流线型车体都可以被打造甚至量产。

未来江河壮阔,恰是百舸争流之际。就在7月10日,新能源技术的开山鼻祖特斯拉落户上海临港,独资建设集研发、制造、销售等功能于一体的第一个特斯拉海外超级工厂,该项目规划年生产50万辆纯电动整车。

不难看出,时代大潮中,落在中国汽车制造业眼前的机会,异彩纷呈却也步步紧迫。但就未来而言,如果说电动是汽车能源的一种解决方案,那么轻量化则是时代的主题。在这一指向下,由化学工业研发所不断孵化的新型尖端制材,将成为大大助力能源创新、智能科技、设计工艺等蓬勃发展的基础与灵感来源,为汽车行业的未来演绎出无限的可能。

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