Clare Sansom报告：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。
内燃机并没有死，但它可能开始死了。 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，因为它的交货时间很长。

这种远离汽油和柴油，以及更广泛的石油和天然气的转变，不仅是由监管推动的，甚至是气候紧急情况本身。2021年11月的第26届联合国气候变化大会夹在2021年9月英国的石油危机和俄罗斯对乌克兰的灾难性入侵之间。汽油危机可能是短暂的，相对来说无关紧要，但在英国，很少有人会轻易忘记去年秋天看到一个又一个加油站关门，或排队数小时加油。乌克兰战争带来的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，不仅是一个环境问题，也是一个安全问题。此外，俄罗斯并不是唯一一个坐拥全球剩余化石燃料储备大部分的令人不快的政权；尤其是沙特阿拉伯和卡塔尔的政府，也没有比这两国政府更令人满意。

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的解决方案
这些全球趋势已经加速了人们摆脱汽油的兴趣；今年欧洲大约12-15%的汽车可能是电动的。Connected Places Catapult是英国9个创新中心之一，这些中心在广泛的领域与企业进行后期研究和开发。它专注于城市、交通和地方，将其与2019年通过的到2050年实现净零温室气体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，重点是在低排放和零排放车辆上。

Connected Places Catapult的高级技术专家艾伦•奈特尔顿(Alan Nettleton)说:“很明显，它可以促进行为的改变，让人们更容易地选择步行、骑自行车或乘坐公共交通，以及创新的‘移动即服务’解决方案，比如现在广泛使用的电动滑板车。”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方案。因此，我们必须确保私家车尽可能清洁，这意味着纯电动汽车。”
无论未来的汽车是自动驾驶还是手动驾驶，无论它们是个人拥有还是共享，它们几乎不可避免地将是电动的。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

纯电动汽车(通常称为纯电动汽车)有一个强大的电动牵引电机来取代内燃机，没有燃油泵、油管或油箱。因此，它没有排气或排气管，因此也就没有“排气管排放”(尾气排放是一项用于评估其他车型排放或其他情况的关键统计数据)。这与各种形式的混合动力汽车形成鲜明对比，混合动力汽车虽然装有电池，但仍有汽油或柴油发动机。一个巨大的电池组由许多锂离子电池组成，位于汽车底部用于驱动电机，电机的动力通过电力传输传输到车轮。冷却剂系统围绕在车辆的电气和电子部件周围，以隔离它们，并保持安全的操作温度。

Vehicle batteries must be cooled, electrically insulated and kept safe from collisions

一辆电动汽车只有在使用的材料单独或结合具有特定的性能时，才能安全高效地运行。车辆的某些部件会受到极高的电压、温度和应力的影响，因此一些部件必须完全电气隔离，车辆也必须能够抵抗这种应力。为了防止火灾，必须保护电池不受碰撞损坏，为了减少车辆的总重量，整辆车必须使用低密度的材料。这个问题限制了最早型号的使用。材料也必须尽可能的耐用和便宜。Nettleton说:“到目前为止，纯电动汽车只渗透到高端市场。”制造成本必须下降，但在二手车普遍上市之前，普及是不太可能的。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:用于指示常见危险的颜料，如高压电缆必须是稳定的。因此，一些世界顶级化工公司迅速进入这个领域也就不足为奇了。

含氟聚合物是理想的电绝缘涂料材料
如今汽车上的锂离子电池比我们手持电子设备上随处可见的同类型电池更有冲击力。“在汽车地板上的电池包装，以及电池之间的隔板，必须提供完全的绝缘和保护，不仅在正常使用期间，而且在撞车后可能发生的灾难性故障期间，”Paul Shearing说。他是伦敦大学学院(University College London)化学工程教授，也是由法拉第研究所(Faraday Institution)资助的六所英国大学和工业伙伴合作的safebat联盟的成员。
此外，电机和传动系统的组件更高的功率密度是发展趋势。这需要改善绕线性能的电机，通过简单的设计和使用更少的材料来实现更大的扭矩和速度，更小的电机具有相同的功率和更低的成本。现行标准镀层在高温、高压和电机频率作用下易发生降解，绝缘性能和电气性能下降。新型的含氟聚合物被视为下一代材料，具有理想的性能用于这些应用。
日本跨国化学品公司大金工业(Daikin Industries)最初专门生产空调，这意味着该公司在氟碳化学方面的专长使其在进入这一市场方面处于有利地位。德国多特蒙德大金化学欧洲创新中心(Daikin Chemical Europe Innovation Center)负责应用开发的副总裁彼得•赫普菲尔德(Peter Hupfield)说:“由于碳氟键的独特性质，含氟聚合物是电机绕组应用电气绝缘涂层的理想材料。”“这是化学中最强的共价键之一，因为它具有极性，氟原子周围有很高的电子密度，所以很难打破。”这些化合物非常稳定，因此具有独特的电气、机械、化学和热电阻性能，非常适合开发高性能线材等苛刻应用。”

安全问题
总部位于德国的化工巨头巴斯夫(BASF)有点另类，它既是汽车行业的专家，又是可持续发展的先锋:例如，2008年，它是世界上第一家记录和公布自己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，巴斯夫的产品不仅用于电动汽车的车身，还被用作冷却剂、防腐涂料，或许令人惊讶的是，还被用作专业着色剂。

Coolants for electric car batteries have the additional need to protect against potential electrical discharge

所有汽车都需要冷却剂，以防止发动机过热和潜在的火灾，但电动汽车的冷却剂尤其重要，因为涉及的温度和电压更高。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。这两种液体是必需的。因为他们的物理性质特点: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，而乙二醇因为它的低熔点，这对于车辆来说是至关重要的。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，几乎是微量的，是有机或无机缓蚀剂，用来保护冷却剂回路的金属成分——铝、铜、钢或其他合金——不受损害。

巴斯夫正在开发一种新的、更安全的冷却剂，具有更低的导电性，以防止电击和火灾的可能性。德国巴斯夫负责汽车液技术营销高级经理Itamar Malkowsky说:“我们新型Glysantin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。”“我们通过使用极性较低的乙二醇衍生物和非离子型缓蚀剂，或离子解离倾向较低的离子型缓蚀剂来实现这一目标。”

自20世纪40年代RAL颜色图表系统完成以来，40种标准化颜色中的任何一种都可以使用字母RAL后跟四位数代码来指定。巴斯夫(BASF)负责性能材料研发的高级副总裁约瑟夫•Wünsch表示:“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、易于识别的警示色，以表征电动汽车的高压部件。”“他们要的是RAL2003，一种很容易识别的橙色(在颜色列表中被描述为淡橙色);我们面临的挑战是要制造出一种能在飞行器整个生命周期内保持稳定的配方。“用简单的红色和黄色颜料混合而成的橙色会迅速褪成棕色，但巴斯夫的研究人员已经能够生产出完全符合规格并经得起时间考验的无机颜料和有机染料的混合物。”

可耐福工业(Knauf Industries)是另一家涉足电动汽车制造的化工公司，于1932年在德国成立，目前业务遍及欧洲。可耐福公司生产的轻质、耐用的膨胀聚丙烯和膨胀聚苯乙烯泡沫塑料已被用于制造汽车部件超过20年。然而，这些材料也有物理特性，使它们成为电池组中理想的电池隔板。它们是优秀的热绝缘体和电绝缘体，即使汽车发生碰撞，也能大大降低热逸出或电池部件之间或外部电流流动的风险。

回收要求

没有尾气排放的汽车可以被认为在其生命周期内是净零排放的，至少如果它们使用的是可再生能源(不受制造商或司机的控制)。然而，只有在它们的制造和处理过程中没有排放，并且它们的组成部分被回收利用的情况下，它们才能被认为是完全的零排放。至少，事实证明，这些电池的续航时间比行业专家最初预计的要长得多。“一个典型的锂离子电池可以在1000次充电循环中保持足够的效率”，Shearing说。“一次充电通常可以行驶约250英里，这款车的续航里程为25万英里……很少有传统汽车能达到这个里程，所以电池的续航时间可能比汽车长。”事实上，电池在原始容量的80%左右就已经“退役”了，那时它还有很多潜在用途，只是不在汽车上。最终取代锂离子电池的电池应该更高效、更持久。

通过1000次充电循环，电池的使用寿命可能比汽车更长

大型商用车对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。一辆普通卡车需要一个500千瓦时的电池，这大约是一辆普通中型私家车容量的8倍。“为了高效地运送货物，电动卡车上的电池必须能够在司机合法允许的休息时间(4.5小时)内不充电地运行。”Nettleton 说。它们还必须快速充电，这给充电站带来了进一步的压力。不过，目前正在考虑气候友好型公路货运的替代方案。西门子的eHighway正在德国的几条高速公路上进行试验，它通过一个类似于火车使用的架空式受电弓为卡车提供电力。

汽车和卡车将成为我们未来几十年生活的一部分。如果我们要真正满足零(或以上)的挑战,避免最严重的气候崩溃,如果我们自己摆脱对进口化石燃料的不稳定或独裁政权,下一代电动汽车必须更可持续的“从摇篮到坟墓”,与尽可能多的组件很容易回收。也许最重要的是，它们必须让普通司机更能负担得起。向前迈出的重要一步将是用一种或多种使用廉价、可回收和容易获得材料的电池取代锂离子电池技术。满足这些材料的技术要求和其他材料将用于未来的电动汽车，必将为化学家提供更多的机会。

Clare Sansom是英国剑桥的一名科学作家

来源：www.chemistryworld.com

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