תפקידם של מהנדסי חומרים בתעשיית הרכב למכוניות חשמליות

תעשיית הרכב עומדת ברגע מרכזי בהעברה של מנועי הבעירה פנימית לרכבים חשמליים (EVs) חומרים הם מרכזיים לשינוי זה, פיתוח ומימון החומרים המגדירים ביצועים EV, בטיחות וזמינות.עבודתם משתרעת על פני הכימיה של סוללות, מבנים קלים, ניהול תרמי וקיימות, השפעה ישירה על כמה מהר ויעיל העולם מתאמץ ניידות חשמלית.

התפקיד המרכזי של מהנדסי חומרים ב- EV Evolution

מהנדסי חומרים מביאים שילוב ייחודי של מתכתי, מדע פולימרי, קרמיקה ומומחיות מורכבת לעיצוב רכב.ב EVs, ההחלטות שלהם משפיעות על צפיפות אנרגיה, ירידה במשקל, בטיחות ההתרסקות, ועלויות הייצור.בניגוד לכלי רכב קונבנציונליים, שבו חומרים לעתים קרובות בוחרים עלויות מראש עמידות, פיתוח EV דורש גישה ברמת מערכות: שיפור נכס אחד, כגון צפיפות אנרגיה סוללה, עשוי לדרוש עצירות מסחר ביציבות תרמי או החלמה למהנדסים אלה.

חומרי כימיה ואלקטרודה

חבילת הסוללה מהווה כ-30-40% מהמשקל הכולל של EV וחלק משמעותי מהעלויות שלה.מהנדסים עובדים על קטודה ומדכאות שמושכות את צפיפות האנרגיה, להאריך את חיי המחזור, ולהפחית את ההסתמכות על אלמנטים נדירים.

(FLT:0) ליתיום ניקל מגניסטן cobalt תחמוצת (NMC)FreaLT:1 נשאר פופולרי עבור צפיפות האנרגיה הגבוהה שלה, אבל מהנדסים להפחית את התוכן cobalt לעלויות נמוכות יותר חששות אספקת אתית.
(FLT:0) ליתיום ברזל פוספט (LFP)אנדרל 1) מציע צפיפות אנרגיה נמוכה יותר, אך שיפור הבטיחות וחיי מחזור ארוכים יותר, מה שהופך אותו אטרקטיבי עבור EVs ברמה גבוהה ומסחרית.
(FLT:0) שרידים של אבן-אבן 1R) יכול להגדיל את היכולת פי עשרה על גבי גרפיט, אבל נפיחות במהלך מחזורי המטען יש מוגבל אימוץ שלהם.חומרים לפתח תרכובות ננו בנויות וקושרים אלסטיים כדי לנהל שינויים בנפח.
(FLT:0)Solid-state אלקטרוליטים של LT:1) - צווארמיקים, סולפטים, או פולימרים - להחליף אלקטרוליטים נוזליים, פוטנציאל להכפיל את צפיפות האנרגיה תוך חיסול מרכיבים דלימים.

(ב) עיין עמוק יותר במגמות החומריות של קטודה, ראה:0reas (ב) 1:1 , סקירת האנרגיה של טבע על חומרי סוללה:2miaFLT 3: 3.

החידושים אלקטרוליטים וספרד

מעבר לאלקטרודות, מהנדסי חומרים לחדד אלקטרוליטים ו-Sparators. אלקטרוליטים נוזליים מתפתחים ממלחים סטנדרטיים LiPF6 ב-Ornicshootnts to ionic Liquid ו-Silurorinated Solnts אשר מרחיבים את הטמפרטורות התפעוליות. Separators - ב-th פולימרונים פולימרים פולימרים פולימרים פולימרים - הם מצופים עם חלקיקים קרמיקה כדי למנוע חדירה מתכווצת וצמצום אלה.

אסטרטגיות משקל אור ל- Extended Range

כל קילוגרם של משקל שנשמר ב- EV יכול להאריך טווח על ידי בערך 1-2 קילומטרים, בהתאם לתנאי הנהיגה.מהנדסים ליישם תערובת של מתכות, פולימרים, ומורכבים כדי לשפוך מסה ללא סיבוכים של ביצועי התרסקות.

אלומיניום ושומן גבוה

אלומיניום משמש כעת לוחות גוף, תת-קרקעיות, ומחסניות סוללות, המציעה ירידה במשקל 40-50% בהשוואה לפלדה. מתקדם פלדה גבוהה סטרגנט (AHSS) להשיג מדלים דקים עם כוח שווה או טוב יותר, מה שהופך אותם לחסכוניים עבור אלמנטים מבניים.פורד F-150 ברק, למשל, משתמש תערובת של לוחות גוף אלומיניום ומסגרות פלדה גבוהה סטריבית גבוהה כדי לעמוד ולשלם מטרות.

פחמן סיבים ופולימר Composites

סיבים פחמן מחזקים פולימרים (CFRP) הם עד 60% יותר קל פלדה ו 30% יותר קל מאשר אלומיניום, עם נוקשות אידיאלי עבור רכיבים כאסאסה ומבנים התרסקות. ייצור גבוה כרכים נשאר אתגר בשל זמני מחזור ועלות, אבל מהנדסי חומרים מפתחים thermoplastics מהיר תיקון ותהליכי הנחתה אוטומטיים להביא CFRP ל- EVs.

חידושים פולימרים לפנים וחיצוניים

מהנדסים מחליפים חזיונות מתכת ודיור עם פוליפרופילן מכוסות זכוכית (PP) ופולימידן (PA) כדי לשאוב ק"ג ממרכיבים פנימיים ותחתיות. Thermoplastic olefins (TPO) להפחית משקל עבור בליטות ושלישים תוך שמירה על התנגדות השפעה. שינויים אלה מצטברים לשיפורים משמעותיים ללא עלות גדולות.

חומרים ניהוליים

סוללות EV פועלות ביעילות רבה בין 15 מעלות צלזיוס ל 35 מעלות צלזיוס מחוץ לטווח זה, ביצועים דמונים, תוחלת החיים מקצרת. מהנדסי חומרים מעצבים מערכות ניהול תרמיות אשר מתפזרות חום במהלך טעינה מהירה ולשמור חום באקלים קר.

סוללה: Thermal Runaway Prevention

המפלט הרמימאלי – תגובת שרשרת של הפיכה חיצונית – היא דאגה ביטחונית ביקורתית.מהנדסים מפתחים:

(ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
(FLT:0) חומרי שינוי (PCMs) ,EveFLT:1 , כמו שעווה פרפין או לחות מלח סופג חום תוך התכה, ספייק טמפרטורה מבולחת.
(ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

סקירה טכנית של הפחתה תרמית ניתן למצוא ב EFLT:0 ;FLT:1 מדע ראשי על חומרי בטיחות סוללות:203FLT 3: 3

מערכות דיסipation

צלחות קירור נוזליות - אלומיניום חד משמעי עם ערוצים אינטגרליים - קרייר מתחת למודולים של סוללות.מהנדסים לבחור מילוי פערים מוליכים תרמי, כגון חומרים המבוססים על סיליקון עמוסים עם בורון nitride או alumina, לגשר על משטחים לא אחידים בין תאים ולוחמות קירור. עבור אקלים קר, תנורי חום עמיד משובצים בסרטים פולימרים לפני הטעינה.

בטיחות והתמוטטות

מבנים EV חייבים להגן על הדיירים תוך שימוש במערכות גבוהות של צמיחה חומרים.מהנדסי עיצוב מסילות התרסקות, תופעות לוואי של דבורים, ודיור סוללות סופגים אנרגיה ומתנגדים לחדירה.

אינטגרליות מבנית

חלקים אלומיניום Extruded נפוצים במחסניות EV סוללות כי הם משלבים בנייה קלה עם ספיגה אנרגיה מעולה.מהנדסים להתאים סגסוגת סגסוגת (למשל, 6xxx סדרה עבור יכולת, 7xxx סדרה עבור כוח) ומזג כדי לייעל התנהגות. עבור טכניקות הצטרפות גוף-לבן, רב-חומרי-חומרי - כגון ריצוף עצמי, אג"ח דבק, לייזר ונוכל - טרום venting פלדה.

חומרי אש-Resistant

מחסניות סוללות חייבות להכיל שריפות לזמן מינימלי, בדרך כלל 5-15 דקות, כדי לאפשר פינוי הדיירים לציין:

(ב) ⁇ (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
(ב) ,0) , 000 מחסנים של סוללת ים אשר מרחיבים את פערי החותם במהלך אירוע תרמי.
(ב) ויקרא י"א) ו[[1924]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]] ו[[1924]]]], [[1924]]]]]]

אחריות ומחזור

ככל שאימוץ EV גדל, ניהול החומרים של החיים של החיים הופך חשוב כמו ביצועים בשימוש ראשון. מהנדסי חומרים לפתח תהליכים סגורים-loop עבור סוללות, מתכות, ומורכבים.

אפשרויות ל EV Components

(FLT:0 חומרים מהותיים FLT:1): Pyrometallurgical ו הידרומטאורגיה מחזור יכול לשחזר עד 95% של cobalt, ניקל, ליתיום, אבל שיטות נשאר אינטנסיבי אנרגיה מהנדסים מעצבים תאים עם פחות אלמנטים (LFP, נתרן) כדי לפשט מחזור, ופיתוח ישיר של התחדשות קטודות כי שיטות למנוע טכניקות מלא.

(FLT:0) מתכות משקל אורהראטFLT:1: מבנים של גוף אלומיניום ניתן למחזר עם 95% חיסכון באנרגיה בהשוואה לייצור ראשוני, סיפק עיצובים להימנע ⁇ מורכבים כי הם פולטים זרמי סגסוגת.מהנדסים עכשיו לציין משפחות ⁇ מיחזור ולהימנע משיטות קבועות הסיבוכים את הפירוק.

(FLT:0)CompositesFLT:1: מגנזיום סיבים מחזור משתפר באמצעות pyrolysis (שורף המרטריקס פולימר) וסולמוזיזה (המסת הממטריקס), אבל סיבים התאוששים לאבד 10-30% של כוח. Thermoplastic מורכבs, כגון פולימיד התחזק עם סיבים רצופים, להציע עיבוד קל יותר והשגת הם צוברים בתוך מערכת גמישים ורכיבי ישיבה.

הערכה מחזור חיים

מהנדסי חומרים משתמשים בערכת מחזור חיים (LCA) כדי להשוות את ההשפעה הסביבתית הכוללת של אפשרויות חומריות - החל ממיצוי חומרי גלם באמצעות ייצור, שימוש והגדרה. לדוגמה, אלומיניום עשוי להיות אנרגיה גבוהה יותר ייצור מאשר פלדה אבל לעתים קרובות מספק פליטות מחזור חיים נמוכות יותר ב EVs בשל החיסכון במשקל שלה. LCA כלים לעזור ליצרנים לציית לתקנות כגון צו הסוללות האיחוד האירופי, אשר מחייבות תוכן ממוחזר ותוויות פחמן החל ב-2024.

כיוונים עתידיים

העשור הבא יראה שהמהנדסים של חומרים מקיפים את השיפורים המתקדמים לעבר מערכות חדשות ביסודן.

סולידריות המדינה Batteries

תאים חד-מדינתיים להחליף אלקטרוליטים נוזליים עם צפיפות אנרגיה לא אורגנית (למשל, LLZO, LGPS) או משקפי sulfide.הם מבטיחים 2-3 פעמים גבוה יותר צפיפות אנרגיה, טעינה מהירה יותר, ואין נוזל מחוספס. אתגרים כוללים ייצור רזה, פגום אלקטרוליטטה דיסקרטיט ולשמור מגע בין אלקטרודות במהלך רכיבה על אופניים.

טכניקות ייצור מתקדמות

מהנדסים חומרים גם לחשוב מחדש כיצד EVs נבנות.ייצור Additive (3D הדפסה) מאפשר ערוצי קירור מורכבים בלוחות סוללות ומצעים קלים כי הם בלתי אפשריים להטיל או מכונה. .הצטרף רב-חומרי מהיר - שימוש בלייזרים, חיכוך מעורר נשימה, וקשר קולי - יאפשרו יצרני רכב לערבב פלדה, אלומיניום, תרכובות, ופולימרים ללא קורוזיה או כתמים חלשים.

חומרי גלם וחוכמה

מחקר לפולימרים בעלי משקל עצמי יכול לאפשר למתחים סוללות שתקנו סדקים קטנים מתרטט או השפעה, להאריך את חיי החבילה.צורה ⁇ זיכרון צורה ניתן להשתמש בפעולתם של אווירודינמיקה פעילה. בעוד עדיין בשלב מוקדם, חומרים אלה יכולים להביא אמינות רבה ויעילות רבה יותר ל EVs עתידיים.

מהנדסי חומרים הם הכרחיים למעבר הרכב החשמלי.החידושים שלהם בכימיה של סוללות, מבנים קלים, ניהול תרמי, בטיחות, מחזור יגדירו כמה מהר EVs הופכים זולים, בטוחים, בר קיימא.כפי שהתעשייה מתפתחת, ההחלטות שהתקבלו במעבדות חומרים וקווי ייצור יעצבו את ההשפעות הסביבתיות והכלכליות של ניידות חשמלית במשך עשרות שנים.

לקריאה נוספת על הנוף של חומרי הרכב הרחב, להתייעץ עם FLT:0reaFLT ( 1:1) מחלקת טכנולוגיות הרכב של ארה"ב:2,3 .