صنعت خودرو در یک لحظه محوری قرار دارد زیرا از موتورهای احتراق داخلی به وسایل نقلیه برقی (EVs) انتقال می یابد، مهندسان مواد متمرکز به این تغییر، توسعه و پالایش مواد است که عملکرد الکتریکی، ایمنی و قابلیت پرداخت را تعریف می کنند. کار آنها شیمی باتری، ساختار سبک، مدیریت حرارتی و پایداری را به طور مستقیم تاثیر می گذارد که چگونه سریع و به طور موثر جهان تحرک الکتریکی را اتخاذ می کند.

نقش مرکزی مهندسان مواد در تکامل EV

مهندسان مواد ترکیبی منحصر به فرد از متالورژی، علم پلیمر، سرامیک و تخصص کامپوزیت را به طراحی خودرو می رسانند.در EVs، تصمیمات آنها بر چگالی انرژی، کاهش وزن، ایمنی تصادف و هزینه های تولید تاثیر می گذارد، در حالی که انتخاب مواد اغلب هزینه و دوام را اولویت می دهد، توسعه نیاز به یک رویکرد سطح سیستم دارد: بهبود یک ملک، مانند چگالی باتری، ممکن است نیاز به تجارت در راه حل های متعادل سازی مواد داشته باشد.

شیمی باتری و مواد الکترولیت

بسته باتری تقریبا 30 تا 40 درصد از کل وزن EV و بخش قابل توجهی از هزینه آن را تشکیل می دهد. مهندسان مواد بر روی کاتد و شیمیدانان دانه کار می کنند که تراکم انرژی، طولانی مدت عمر چرخه و کاهش وابستگی به عناصر کمیاب را افزایش می دهند.

  • اکسید کبالت نیکل منگنز (NMC) برای چگالی انرژی بالا محبوب است، اما مهندسان کاهش محتوای کبالت به کاهش هزینه و نگرانی های تامین اخلاقی است.
  • [LFP] فسفات آهن لیتیوم چگالی انرژی پایین تر اما بهبود ایمنی و عمر چرخه طولانی تر را ارائه می دهد، و آن را برای خودروهای ورودی و تجاری جذاب می کند.
  • [FLT 1] می تواند ظرفیت را در برابر گرافیت افزایش دهد، اما تورم در طول چرخه شارژ محدود به تصویب آنها است.
  • الکترولیت های ایالتی -ceramics، sulfides یا پلیمر - الکترولیت مایع را جایگزین می کنند، به طور بالقوه دو برابر چگالی انرژی در حالی که حذف اجزای قابل اشتعال باید مقاومت متقابل و مسائل مقیاس پذیری تولید را حل کند.

برای نگاهی عمیق تر به روند مواد کاتد، ببینید بررسی انرژی طبیعت در مواد باتری .

الکترولیت و نوآوری های تغییر

فراتر از الکترودها، مهندسان مواد الکترولیت ها و جداکننده ها را اصلاح می کنند. الکترولیت های مایع از نمک های استاندارد LiPF6 در حلال های آلی به مایعات آیونیک و حلال های حاوی فلوراید که دمای عملیاتی را گسترش می دهند، در غشای پلیمری - با نانوذرات سرامیکی پوشانده می شوند تا از نفوذ و کاهش گرما جلوگیری کنند.

استراتژی های سبک سازی برای محدوده گسترده

هر کیلوگرم وزن ذخیره شده در یک EV می تواند تقریباً 1 تا 2 کیلومتر گسترش یابد، بسته به شرایط رانندگی. مهندسین مواد ترکیبی از فلزات، پلیمرها و کامپوزیت ها را برای ریخته گری توده بدون به خطر انداختن عملکرد تصادف اعمال می کنند.

آلومینیوم و فولاد بالا

آلومینیوم در حال حاضر برای پانل های بدن، زیر فریم ها و محفظه باتری استفاده می شود، ارائه یک کاهش وزن 40 تا 50٪ در مقایسه با فولاد. فولادهای پیشرفته با قدرت بالا (AHSS) با اندازه گیری های نازک با قدرت معادل یا بهتر، آنها را مقرون به صرفه برای عناصر ساختاری است. فورد F-150 رعد و برق، به عنوان مثال، استفاده از ترکیبی از پانل های بدنه آلومینیوم و قاب های با قدرت بالا برای رسیدن به اهداف راه آهن و محدوده حمل و بارگیری.

کربن فیبر و کامپوزیت های پلیمری

پلیمر های تقویت شده با فیبر کربن (CFRP) تا 60٪ سبک تر از فولاد و 30٪ سبک تر از آلومینیوم هستند، با سفت و سخت ایده آل برای قطعات شاسی و ساختارهای سقوط است. تولید حجم بالا به دلیل زمان و هزینه های انتخابی، اما مهندسان مواد در حال توسعه ترموپلاستی سریع و فرآیندهای خودکار برای آوردن CFRP به جریان اصلی EV i3 و پذیرش اولیه باتری هستند، در حالی که نشان داده شده است و استفاده از پنل های فیبروئید و پانل های کربنی از صفحات لوسی.

نوآوری های پلیمری برای داخلی و خارجی

مهندسان جایگزین براکت های فلزی و مسکن با پلی پروپیلن شیشه ای (PP) و پلی آم (PA) برای اصلاح کیلوگرم از اجزای داخلی و زیر سن هستند.وئوپلاستیک (TPO) کاهش وزن برای برآمدگی ها و برش در حالی که حفظ مقاومت تاثیر.

مواد مدیریت حرارتی

باتری های الکتریکی بین 15 درجه سانتیگراد و 35 درجه سانتیگراد در خارج از این محدوده، کاهش عملکرد و کوتاه شدن عمر کار می کنند. مهندسان مواد سیستم های مدیریت حرارتی را طراحی می کنند که گرما را در هنگام شارژ سریع و حفظ گرما در آب و هوای سرد پراکنده می کنند.

باتری حرارتی Runaway Prevention

فرار حرارتی - یک واکنش زنجیره ای از اختلال بیرونی - نگرانی امنیتی حیاتی را ایجاد می کند.

  • [در این میان] [از روی زمین]، [[[۱]]] که در هنگام گرم شدن، ورم می کند، و یک char عایق ایجاد می کند که باعث کاهش انتشار شعله می شود.
  • تغییر مرحله (PCMs) مانند موم پارافین یا هیدراته نمک که گرما را در هنگام ذوب شدن جذب می کند، و بافر زدن دما افزایش می یابد.
  • [[۱] [۱۰] جداکننده های کادمیک[۱۰][۱۰][۱۰]] با آلومینا یا بوهمیت پوشانده شده اند تا دمای بالای ۲۰۰ درجه سانتی گراد را تحمل کنند.

یک مرور فنی از کاهش حرارتی را می توان در ScienceDirect بر روی مواد ایمنی باتری یافت.[۱۰]

سیستم های اختلال گرمایی

صفحات خنک کننده مایع - به طور معمول آلومینیوم با کانال های جدایی ناپذیر - خنک کننده خودرو در زیر ماژول های باتری. مهندسان انتخاب فیلرهای شکاف حرارتی، مانند مواد مبتنی بر سیلیکون بارگذاری شده با نیتید بوررون یا آلومینا، برای پل زدن سطوح ناهموار بین سلول ها و صفحات خنک کننده. برای آب و هوا سرد، بخاری های مقاومت در فیلم های پلیمری گرم قبل از شارژ هر انتخاب مواد، وزن و عملکرد حرارتی.

امنیت و سقوط

ساختارهای الکتریکی باید از سرنشینان محافظت کنند در حالی که سیستم های ولتاژ بالا را شامل می شوند. مهندسان مواد راه آهن های تصادف، پرتوهای جانبی و مسکن باتری را طراحی می کنند که انرژی را جذب می کنند و در برابر نفوذ مقاومت می کنند.

ساختار صداقت

بخش های آلومینیومی در محفظه باتری EV رایج هستند زیرا آنها ساخت و ساز سبک را با جذب انرژی عالی ترکیب می کنند. مهندسان ترکیب آلیاژ را تنظیم می کنند (به عنوان مثال، سری 6xxx برای فرم پذیری، سری 7xxx برای قدرت) و خلق و خوی برای بهینه سازی رفتار گالوانیزه.برای تکنیک های پیوستن به بدن-سفید، چند ماده - مانند خود-piercing، چسب و لیزر - جوشکاری آلومینیوم و جوشکاری آلومینیوم گالوانیزه بین خوردگی گالوانیزه.

مواد آتش نشانی

محفظه های باتری باید حداقل زمان آتش سوزی را شامل شوند، به طور معمول 5 تا 15 دقیقه، اجازه تخلیه سرنشین دار را می دهند.

  • [[۱] [۱۰] [۱]] [۱]] یا تشک های فیبر شیشه ای بین گروه های سلولی برای دفع گرما.
  • مخازن گاز داخل شکم [FLT 1] در اطراف درزهای بسته باتری که گسترش و مهر و موم شکاف در طول یک رویداد حرارتی.
  • کابل و کانکتورهای صفر-halogen (LSZH) برای کاهش نسل سمی در آتش.

پایداری و بازیافت

همانطور که تصویب EV رشد می کند، مدیریت پایان از زندگی مواد به عنوان عملکرد اول استفاده مهم می شود. مهندسان مواد فرآیندهای حلقه بسته برای باتری، فلزات و کامپوزیت توسعه می دهند.

قابلیت های قطعات الکتریکی

مواد غذایی [FLT:]: بازیافت هیدروترموتالشوری و هیدرو متالورژییک می تواند تا ۹۵ درصد از کبالت، نیکل و لیتیوم را بازیابی کند، اما روش ها همچنان انرژی فشرده هستند. مهندسان با عناصر کمتر (LFP، سدیم-ion) برای ساده سازی بازیافت، و توسعه تکنیک های بازسازی مستقیم کاتهو که از تجزیه و تحلیل کامل اجتناب می کنند، طراحی سلول ها هستند.

فلزات سبک وزن : ساختارهای بدن آلومینیوم را می توان با 95٪ صرفه جویی در انرژی در مقایسه با تولید اولیه بازیافت، در صورتی که طرح ها از آلیاژهای پیچیده که مهندسان دفع می کنند جلوگیری می کنند، در حال حاضر خانواده های آلیاژی قابل بازیافت را مشخص می کنند و از روش های دائمی پیوستن که پیچیده است.

Composites : بازیافت فیبر کربن از طریق pyrolysis (سوختن ماتریس پلیمری) و Solvolysis (حل ماتریس) بهبود می یابد، اما فیبرهای بازیابی شده از دست دادن 10 تا 30 درصد از کامپوزیت های Thermoپلاستیک، مانند پلی آمید تقویت شده با فیبر مداوم، ارائه آسان تر پردازش و به دست آوردن کشش قطعات و قطعات ساختاری.

ارزیابی چرخه زندگی

مهندسان مواد از ارزیابی چرخه عمر (LCA) برای مقایسه کل اثرات زیست محیطی انتخاب مواد استفاده می کنند - از استخراج مواد خام از طریق تولید، استفاده و دفع.به عنوان مثال، آلومینیوم ممکن است انرژی تولید بالاتری نسبت به فولاد داشته باشد، اما اغلب انتشار چرخه عمر پایین تر در EVs را به دلیل صرفه جویی در وزن آن ارائه می دهد. LCA ابزار به تولید کنندگان کمک می کند تا مطابق با مقررات مانند دستورالعمل اتحادیه اروپا، که محتوای بازیافت شده و برچسب های کربن در سال 2024 را هدف قرار می دهد.

مسیر های آینده

دهه آینده شاهد پیشرفت های بیشتر از پیشرفت های افزایشی نسبت به سیستم های اساسا جدید خواهد بود.

باتری های جامد

سلول های جامد جایگزین الکترولیت مایع با سرامیک های آلی (به عنوان مثال، LLZO، LGPS) یا عینک های سولفاتی می شوند. آنها وعده می دهند 2 تا 3 برابر تراکم انرژی بالاتر، شارژ سریع تر و بدون مایع قابل اشتعال است.چالش ها شامل تولید لایه های الکترولیت نازک، آزاد و حفظ تماس بین الکترودها در طول خطوط خلبان از تویوتا، QuantumScap و دیگران پیشنهاد می کنند که ممکن است از 20-16 شروع شود.

تکنیک های پیشرفته تولید

مهندسان مواد همچنین در مورد چگونگی ساخت EV ها تجدید نظر می کنند.تولید افزودنی (3D چاپ) کانال های خنک کننده پیچیده را در صفحات باتری و براکت های سبک که غیر ممکن است به بازیگران یا ماشین پیوستن چند ماده سریع - با استفاده از لیزر، جوشکاری اصطکاک و اتصال اولتراسونیک - اجازه می دهد تا خودروسازان برای مخلوط فولاد، آلومینیوم، کامپوزیت ها و پلیمر بدون نقاط خوردگی یا ضعیف.

خود-Healing و Smart Materials

تحقیقات در مورد پلیمرهای خود شفابخش می تواند محفظه های باتری را که ترک های کوچک را از لرزش یا تاثیر ترمیم می کنند، گسترش عمر بسته، آلیاژهای حافظه شکل ممکن است در محرک های فعال آئرودینامیک استفاده شود، در حالی که هنوز مراحل اولیه، این مواد می توانند قابلیت اطمینان و کارایی بیشتری را به خودروهای آینده برسانند.

مهندسان مواد برای انتقال خودرو الکتریکی ضروری هستند، نوآوری های آنها در شیمی باتری، ساختارهای سبک، مدیریت حرارتی، ایمنی و بازیافت مشخص می کند که چگونه EVs به سرعت مقرون به صرفه، امن و پایدار می شوند، زیرا صنعت تکامل می یابد، تصمیمات گرفته شده در آزمایشگاه مواد و خطوط تولید اثرات زیست محیطی و اقتصادی تحرک الکتریکی را برای دهه های آینده شکل می دهد.

برای مطالعه بیشتر در مورد چشم انداز مواد خودرو گسترده تر، مشورت با دفتر فناوری خودرو ایالات متحده .