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比翱观察丨不仅仅只是电池：电动汽车的化学材料

Prosynx · 公众号 · · 2022-05-06 02:46

正文

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。

内燃机并没有消失，但它可能已经开始在消失了。2021年11月在英国格拉斯哥举行的Cop26气候会议上采取的少数大胆举措之一，是宣布到2040年在所有市场以及到2035年在主要市场，逐步淘汰汽油和柴油汽车的销售：许多欧洲国家已经设定了更早的日期，而英国选择2030年。即使这个时间表对许多人来说似乎慢得令人沮丧，但它可能是汽车行业最早可以支持的，因为它的交货周期很长。

这种从汽油和柴油，以及更普遍的石油和天然气的转变，不仅是由监管驱动，甚至是由气候紧急情况驱动的。2021年11月的Cop26夹在2021年9月的英国石油危机和俄乌战争期间。汽油危机可能是短暂且相对微不足道的，但去年秋天，在英国，很少有人会轻易忘记在加油站关闭后看到加油站，或者排队数小时加油。乌克兰战争带来了一些变化，这些变化虽然不那么直接，但却更加严重和广泛，尤其是我们对俄罗斯石油和天然气的依赖，已经成为一个环境问题和安全问题。此外，俄罗斯并不是唯一一个坐拥世界大部分剩余化石燃料储量的令人不快的政权，还有沙特阿拉伯和卡塔尔。

对于许多人来说，汽车或货车是满足他们交通需求的唯一可行解决方案。

这些全球趋势已经加速了人们摆脱汽油的兴趣。今年在欧洲销售的所有汽车中，约有12-15%可能是电动汽车。Connected Places Catapult是英国九个创新中心之一，与各行各业的企业开展后期研发合作。它对城市、交通和地方的关注将其与2019年提出的到2050年实现温室气体净零排放的挑战联系起来。它正在大力投资项目，以减少英国27%的交通造成的总排放量，投资重点是在低排放和零排放车辆上。

“显然有促进行为改变的作用，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‘移动即服务’解决方案，例如现在广泛使用的电动滑板车，”Connected Places Catapult的高级技术专家Alan Nettleton说，“但对于许多人来说，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，我们必须确保私家车尽可能清洁，这意味着尽可能使用电池电动汽车。

无论未来的汽车是自动驾驶还是手动驾驶，无论是个人拥有还是共享，它们几乎都将不可避免地是电动的。虽然很明显，全电动汽车不消耗碳氢化合物燃料，但它们的制造需要比传统汽车更多的精细化学品、塑料和聚合物。

苛刻的标准

电池电动汽车（通常称为BEV）具有强大的电动牵引电机来取代内燃机，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“尾气排放”（用于评定排放或其他车辆类型的关键统计数据）。这与各种形式的混合动力电动汽车形成鲜明对比，混合动力电动汽车虽然包含电池，但仍具有汽油或柴油发动机。由多个锂离子电池组成的大型电池组位于汽车地板下方，用于驱动电机，电机的动力通过电动变速器传递到车轮。冷却剂系统围绕着车辆的电气和电子部件，以使它们绝缘并保持安全的工作温度。

电动汽车只有在其结构中使用的材料具有一组特定的特性（无论是单独的还是组合的）时，才能安全有效地运行。车辆的零部件要承受极高的电压、温度和应力，因此某些部件必须完全电气隔离，并且车辆也必须能够抵抗这些应力。必须保护电池免受碰撞损坏以防止火灾，并且整个车辆必须由低密度材料制成以减轻车辆总重量。这个问题限制了早期模型的采用。这些材料还必须尽可能耐用和便宜。“到目前为止，纯电动汽车只进入了高端市场，”Nettleton 说。“制造成本必须降低，但在二手车普及之前，不可能实现普遍采用。”

最后，即使是像颜色这样看似平凡的事物也可能成为问题：用于指示常见危险（如高压电缆）的颜料必须稳定。因此，一些世界顶级化工公司迅速进入这一领域也就不足为奇了。

含氟聚合物是电绝缘涂层的理想材料

当今车辆中的锂离子电池比我们手持电子设备中无处不在的同类型电池更具冲击力。“汽车地板上的电池包装以及电池之间的隔板必须提供完全绝缘和保护，不仅在正常使用期间，而且在碰撞后可能发生的灾难性故障期间，”伦敦大学学院化学工程教授Paul Shearing说，他是SafeBatt consortium的成员。SafeBatt consortium是由法拉第研究所资助的六所英国大学和工业合作伙伴合作成立的。

此外，趋势是电机和传动系统组件的功率密度更高。这需要具有改进绕组线特性的电机、具有相同功率和成本的更小电机，通过设计简单和使用更少的材料来实现更大的扭矩和速度。当前的标准电线涂层很容易因热、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对这些应用具有理想性能的下一代材料。

日本跨国化学品公司大金工业最初专注于空调，这意味着它凭借其在碳氟化合物化学方面的专业知识，可以很好地进入这个市场。“由于碳氟键的独特性质，含氟聚合物是电机绕组应用电绝缘涂层的理想材料，”位于德国多特蒙德的大金化学欧洲创新中心应用开发副总裁Peter Hupfield说，“这是化学中最强的共价键之一，因为它具有极性，氟原子周围的电子密度很高，因此很难断裂。这些化合物非常稳定，因此具有独特的电气、机械、化学和耐热性能，是开发更高性能电线等要求苛刻的应用的理想选择”。

安全问题

总部位于德国的化学品巨头巴斯夫作为汽车领域的专家和可持续发展的先驱者，在某种程度上是一个反常现象：例如，2008年，它是世界上第一家记录和公布自己的二氧化碳排放量的大型制造公司。电动汽车的材料化学非常适合这家公司，巴斯夫的产品用于电动汽车的车身，还用作冷却剂、防腐涂料，以及— — 也许令人惊讶的是 — — 专业着色剂。

所有汽车都需要冷却剂来防止发动机过热和可能引发火灾，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。汽车工业中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，因为它们具有独特的物理特性：水是因为它的高热容量和导热性可以迅速将热量从电池中散失到整个车辆中，而乙二醇的熔点低，这对于车辆来说至关重要。在寒冷的气候中使用。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）是添加的有机或无机腐蚀抑制剂，以保护冷却剂回路的金属成分— — 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、导电率更低的冷却剂，以防止发生电击和火灾的可能性。“我们的新型Glysantin Electrified冷却剂不会与电池的高压组件发生反应，即使电池在事故中受损并且冷却剂直接接触它，”该公司负责汽车流体技术营销的高级经理Itamar Malkowsk说。“我们通过使用极性较低的二醇衍生物和非离子缓蚀剂或具有低离子解离倾向的离子缓蚀剂来实现这一目标。”

自二十世纪40年代以来，当RAL颜色图表系统完成时，可以使用字母RAL后跟四位数代码来指定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联系我们，要求我们使用一种明亮且公认的警告颜色来表征电动汽车的高压部件，”巴斯夫性能研发高级副总裁Josef Wünsch说。“他们要求RAL2003，一种易于识别的橙色 [在颜色列表中描述为淡橙色]；我们的挑战是生产一种在车辆的整个生命周期内保持稳定的配方。由红色和黄色颜料的简单混合物产生的橙色色调会迅速褪色为褐色，但巴斯夫的研究人员已经能够生产出无机颜料的混合物和完全符合规格、经得起时间考验的有机染料。

可耐福（Knauf）工业公司于1932年在德国成立，现在在整个欧洲开展业务，它是另一家在电动汽车制造领域找到一席之地的化学品公司。20多年来，可耐福轻质、耐用的发泡聚丙烯和发泡聚苯乙烯泡沫已被用于制造模制汽车部件。然而，这些材料还具有使其成为电池组中电池隔膜的理想选择的物理特性。它们是出色的热绝缘体和电绝缘体，即使汽车发生碰撞，也可以大大降低电池部件之间或外部的热量逸出或电流流动的风险。

回收要求

无排气管排放的车辆在其使用寿命内可以假定为净零，至少如果它们是由可再生能源驱动的（不受制造商或驾驶员控制）。然而，只有在其制造和处置过程中没有排放物，并且其部件被回收利用的情况下，才能将其视为完全零排放。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。一个典型的锂离子电池将在多达1000次充电循环中保持“足够高效”，Shearing说。“充电之间的典型续航里程约为250英里，相当于一百万英里的25英里… … 很少有传统汽车能达到这样的里程数，因此电池的续航时间可能比汽车长。”事实上，当电池仍有许多潜在用途时，电池在其原始容量的80%左右“退役”，只是不能用于汽车。最终取代锂离子电池的电池应该更加高效和持久。

1000次充电循环寿命，电池续航时间可能比汽车长

大型商用车对制造商来说是一个特殊的挑战，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一个500kWh的电池，这大约是驱动一辆典型的中型私家车的电池容量的八倍。“为了实现高效的货运，电动卡车中的电池必须能够在不充电的情况下运行，只要他们的司机在法律允许的休息时间之前开车，即4.5小时，”Nettleton说。“它们还必须快速充电，这给充电站带来了更大的压力。”然而，现在正在考虑气候友好型公路货运的替代解决方案。西门子的eHighway正在德国的几条高速公路上进行试验，通过类似于火车使用的高架受电弓为卡车提供电力。

未来几十年，汽车和卡车将成为我们生活的一部分。如果我们要真正及时应对净零（及以上）的挑战，以避免最严重的气候崩溃，如果我们要摆脱不稳定或化石燃料进口的被动局面，则必须采用下一代电动汽车。更可持续的“从摇篮到坟墓”，尽可能多的组件易于回收。也许最重要的是，它们必须让普通驾驶者更负担得起。向前迈出的重要一步是用一种或多种使用廉价、可回收且易于获得的材料的电池类型来取代锂离子电池技术。满足未来电动汽车使用的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。

原文来源于英国皇家化学学会，作者Clare Sansom