鉅大LARGE | 點擊量：674次 | 2018年12月05日
未來汽車將至：突破電池動力瓶頸
始于2009年。當是時，《汽車產(chǎn)業(yè)調(diào)整和振興規(guī)劃》頒發(fā)，在政府堅定的新能源政策指引和可觀的補貼扶持下，中國開始被一股造車大勢席卷，從概念到實操，九年時間，一邊泥沙俱下，一邊浪里淘金。
狂歡之后，世界終將在規(guī)律中運轉(zhuǎn)。
2018年被業(yè)界稱為“中國新能源汽車爆發(fā)年”，年中，新能源汽車市場先后迎來兩大新政。6月，新能源汽車財政補貼新政正式實施，以300公里為線，首次明確劃分新能源車的續(xù)航里程標準，減低補高。7月，國家發(fā)改委發(fā)布了《汽車產(chǎn)業(yè)投資管理規(guī)定征求意見稿》，提出新建傳統(tǒng)燃油汽車生產(chǎn)企業(yè)將不能獲得資質(zhì)，并嚴格控制現(xiàn)有企業(yè)擴大傳統(tǒng)燃油車產(chǎn)能，同時加強新建電動汽車企業(yè)投資管理，防范盲目布點和低水平重復建設。
這意味著，高質(zhì)量、整體化的技術創(chuàng)新將成為新能源汽車發(fā)展的主要驅(qū)動力，而之前依靠增加電池數(shù)量、簡單減少或改換零部件以追求里程數(shù)少量攀升的策略將不再奏效。
風勢所向，萬物競長。顯然，即便是300公里的續(xù)航里程，與傳統(tǒng)燃油汽車相比也相差甚遠。新能源車續(xù)航里程的痛點因此再次成為行業(yè)的焦點和發(fā)力點。
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突破電池動力瓶頸
提升新能源車續(xù)航里程，如何增加電池動力是一個久攻不破的硬堡壘。從第一代鎳氫電池和錳酸鋰電池，第二代磷酸鐵鋰電池，到目前廣為采用的第三代三元電池，電池續(xù)航能力似乎一直無法突破電池材料天然的天花板。
有材料顯示，現(xiàn)有體系的鋰離子電池能量密度基本上很難突破300Wh/kg，很難滿足未來動力電池的需求。在國家發(fā)展新能源車的規(guī)劃中，2020年，單體電池能量密度要達到350Wh/kg，2030年則要達到500Wh/kg的水平，這意味著電動車續(xù)航里程將比現(xiàn)在翻一番。
需求將變革的可能性延伸到了更加源頭的化工產(chǎn)業(yè)。
“當前新能源車用鋰電池能量密度受關鍵正負極材料影響很大，”德國特種化工企業(yè)贏創(chuàng)工業(yè)集團全球汽車工業(yè)團隊副總裁朱駿表示，“正負極材料的選擇和突破是當前大幅增加能量密度更加可行的方案。”
贏創(chuàng)對此提出的解決方案是用納米尺寸的純硅粉產(chǎn)品添加到新型負極材料，極大提高了負極材料的能量密度。純硅負極的理論能量密度可達到石墨材料的10倍，高達4200mAh/g。此前公開資料顯示，特斯拉通過在人造石墨中加入10%的硅基材料，已在Model3中采用硅碳負極作為動力電池新材料，使電池容量達到了至少550mAh/g。此外，贏創(chuàng)的納米結構氧化鋁用于鋰電池隔膜涂覆，由于其極佳的耐熱性，可以有效提高電池的安全性能。
更多的新材料電池在全球的實驗室中醞釀。今年5月，繼日本政府投資16億日元支持日本電池制造商及本田、日產(chǎn)和豐田三大主要汽車制造商聯(lián)合研發(fā)固態(tài)鋰離子電池后，國外老牌車企寶馬、保時捷等紛紛投入固態(tài)電池研發(fā)，同時投身于此的還有德國大陸集團、日本TDK及村田制作所等一大批汽車零部件供應商。
新一輪車用電池創(chuàng)新之戰(zhàn)大幕又啟。
輕量化來襲，新材料貢獻占比近半
福特汽車創(chuàng)始人亨利?福特曾說，任何多余的重量對汽車都是致命傷。
如果說對電池能量密度突破的追求尚且在路上，那么同樣有助于增加新能源汽車續(xù)航里程的汽車輕量化設計則早已從燃油動力時代開始了應用迭新。
有數(shù)據(jù)統(tǒng)計，純電動汽車整車重量降低10kg，其續(xù)航里程可增加2.5km。
在越來越急迫的續(xù)航里程提升需求下，輕量化思維成為當代主流。中國工程學會輕量化技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟委員會主任陳一龍認為，汽車輕量化中，新材料新技術占比達到41%。
但一直謀求借新能源之機“彎道超車”的中國汽車，在輕量化技術方面卻仍落后于國外先進水平。據(jù)2017年數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，就當前主流的輕量化制材鎂合金而言，國外乘用車平均用鎂量約為5KG，而中國自主品牌車型上用鎂量不足１KG。2016年發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車技術路線圖》中指出，2020年，國產(chǎn)單車鎂合金用量將達到15kg，2030年將達到45kg。
據(jù)資料顯示，當前國外汽車上共有60多個零部件采用鎂合金，其中方向盤骨架、轉(zhuǎn)向管柱支架、儀表盤骨架、座椅框架、氣門室罩蓋、變速箱殼、進氣歧管等7個部件鎂合金的使用率最高。
但能夠促使汽車達成輕量化的材料遠不止鎂合金等金屬，材料的革新性選擇決定了誰的起跑線天生靠前。
朱駿表示，汽車通常會通過改善動力系統(tǒng)、降低輪阻、輕量化、流線型設計來降低能耗，而其中，在動力系統(tǒng)、車體造型都與輕量化息息相關。未來的汽車輕量化，將在材料提供的想象力上，實現(xiàn)所有結構的輕量化設計。
贏創(chuàng)提供了一套完整的金屬替代方案。例如，名為ROHACELL?的硬質(zhì)泡沫可以與碳纖維蒙皮結合形成三明治結構，具有輕質(zhì)高剛的特性，。是汽車結構件以及機倉蓋、車門、車頂?shù)溶嚿砀采w件采用復合材料夾層結構的理想泡沫芯材。新規(guī)格ROHACELL?HERO還兼具了高抗沖擊性，遇撞擊可緩沖變形吸收能量，在三明治結構外層表面形成凹坑，以便對內(nèi)部纖維狀況進行檢測。這樣既有效避免撞擊損傷無法探測而造成的風險，又起到降噪減少NVH（噪音、振動和聲振粗糙度）的作用。
除車身外，贏創(chuàng)仍在探索利用高性能聚合物替代車內(nèi)錨固件、鏈條、齒輪等金屬件的輕量化途徑。其研發(fā)的高潤滑度、耐磨度聚合物VESTAKEEP已被用于車身底部萬向鏈條、變速器零部件、增壓系統(tǒng)等方面。穩(wěn)定性和耐磨性極高的VESTAMID聚酰胺12則在轉(zhuǎn)向角傳感器齒輪傳動機構中發(fā)揮了耐化耐高溫、減噪減震等遠勝于金屬件的效果。
“如果用這些新材料將整輛汽車的玻璃和可替代金屬件進行優(yōu)化，未來汽車可至少減重40%，”朱駿表示。
指向未來汽車的籌碼
如火如荼的全球汽車新能源轉(zhuǎn)型背后，是對未來智能汽車、無人駕駛汽車的無限期待與訴求。
按照美國高速公路管理局（EPA）的定義，智能汽車被分為四個層次。從最基本的輔助駕駛，基于車聯(lián)網(wǎng)的協(xié)同駕駛，到有限定條件的無人駕駛，最終到全工況無人駕駛，未來汽車和人類道路交通的方向已然明確。在更宏大的時間線上，續(xù)航里程的難點攻關不過是一個小小節(jié)點。
2017年12月，工信部發(fā)布《促進新一代人工智能產(chǎn)業(yè)發(fā)展三年行動計劃（2018-2020年）》，指出到2020年，將建立起支持車輛智能計算平臺體系架構、車載智能芯片、自動駕駛操作系統(tǒng)、車輛智能算法等關鍵技術、產(chǎn)品研發(fā)，構建軟件、硬件、算法一體化的車輛智能化平臺。
這意味著，以新能源為契機，在新材料的加持下，中國期望通過汽車智能化實現(xiàn)真正的汽車產(chǎn)業(yè)彎道超車。
在這個意義下，電動能源、電控系統(tǒng)、輕量車體，將使汽車搭載的智能芯片在傳感互聯(lián)、自動化駕駛、安全性保障等方面發(fā)揮出巨大的意義，而這些無一不是未來道路交通的發(fā)展趨勢。
新材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將成為支撐這一趨勢的基礎設施。如在通訊互聯(lián)方面，贏創(chuàng)用于打造車身的ROHACELL?硬質(zhì)泡沫和透明、防曬、可替代汽車玻璃的PLEXIGLAS寶克力材料，相比起當前廣泛使用的金屬與玻璃材質(zhì)而言，均具備信號的完全可透性；而當前主要用于智能家居的透明尼龍Trogamid?則可以進行傳感器植入，并通過3D打印完成特殊功能性部件的制造，這些新的材料在汽車工業(yè)中的應用將使未來5G信號得以存在，為真正的智能化城市交通服務，汽車也將真正成為萬物萬聯(lián)時代互聯(lián)網(wǎng)的全新入口。
在更多元材料帶來的可能性中，未來的智能化汽車可以跳出當下那些樣式相對單調(diào)的金屬四輪之物投射出更清晰的藍圖。僅以贏創(chuàng)ROHACELL?模內(nèi)發(fā)泡的技術前景來看，未來汽車將有可能擺脫沖壓、焊接的工序?qū)崿F(xiàn)整體制造，那意味著，任何更加適宜于減少能耗的流線型車體都可以被打造甚至量產(chǎn)。
未來江河壯闊，恰是百舸爭流之際。就在7月10日，新能源技術的開山鼻祖特斯拉落戶上海臨港，獨資建設集研發(fā)、制造、銷售等功能于一體的第一個特斯拉海外超級工廠，該項目規(guī)劃年生產(chǎn)50萬輛純電動整車。
不難看出，時代大潮中，落在中國汽車制造業(yè)眼前的機會，異彩紛呈卻也步步緊迫。但就未來而言，如果說電動是汽車能源的一種解決方案，那么輕量化則是時代的主題。在這一指向下，由化學工業(yè)研發(fā)所不斷孵化的新型尖端制材，將成為大大助力能源創(chuàng)新、智能科技、設計工藝等蓬勃發(fā)展的基礎與靈感來源，為汽車行業(yè)的未來演繹出無限的可能。
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