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从首个锂电子电池原型到电气化热塑性塑料

来源:荣格 发布时间:2018-09-28 585
化工塑料橡胶原料及混合物添加剂及母粒 市场趋势
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汽车传动技术从传统内燃机到电动驱动的转变,给汽车制造商和供应商带来了巨大的挑战。工程塑料因具有多方面的性能,在电动汽车行业具有广泛的应用潜能。  

政策政治为处于变革中的汽车驱动技术的发展起到了加速作用。欧盟要求,从2020年开始,所有新批准 的汽车将达到95 g CO2/km的平均排放目标。如果超过这一限制,汽车制造商将为此支付高额的罚款。要达到排放目标,解决方法之一是使用轻量化材料。事实上,近年来汽车的平均重量一直在增加(图 1),这让汽车制造商面临两难困境:在开发环保汽车的同时,还要提高汽车性能、增大空间、优化设备。因此,在这种背景下,轻量化设计本身并不能成为解决方案。

另一种使CO2 排放达标的方法是使用电动马达和其它传统内燃机替代品。预计在未来的数年中,采用替代传动系统的乘用车产量将会有明显的增长(图2)。有数据显示,在2016 年,仅有3% 的新车使用了替代传动系统(HEV:混合电动车,PHEV:插电式混合动力汽车,FCV:燃料电池汽车),预计这项比例在 2024 年将增至 33%。

近年来,大众、宝马、丰田、日产或PSA等大型汽车制造商均已宣称,将对电气化领域的关键技术进行重大投资。为了迎合制造商需求的不断变化,像大陆和采埃孚等供应商也在大举投资。

 

一站式产品和服务提供商

凭借其高分子聚合物专有技术,旭化成为汽车工业提供了非常广泛的产品种类,包括工程塑料聚酰胺(PA)66,66/6i(商品名:Leona)和改性聚苯醚(m-PPE)(商品名:Xyron)。此外,还有聚甲醛(POM)共聚物(商品名:Te-nac)和玻纤填充聚丙烯(PP)(商品名:Themylene)。

除了塑料以外,旭化成还提供很多服务。轻量化设计应用的一个例子是通过CAE(计算机辅助工程)支持,用Leona-14G系列耐高温聚酰胺(66)代替金属部分用于发动机悬置系统和阀盖。另一个例子是通过使用玻纤填充Leano90G聚酰胺(66/6I),不仅表面达到了优良的A级,同时使部件保持高水平的机械性能。这种材料适用于汽车外部配件,如汽车后视镜等。图3中的黑色部件为用Leona90G系列材料注塑成型的免喷涂件,这种表面效果只需要90℃的模温即可达到,因此降低了能耗成本。

另外,该公司还提供溶聚丁苯乙稀(S-SBR),这有助于降低轮胎的滚动阻力,提高轮胎的制动性能。除了S-SBR,还可提供Leona66尼龙长丝,用于增强安全气囊和轮胎。

 

锂离子电池的发明者

锂离子电池将在汽车工业的电气化中发挥关键作用。1985年,日本川崎市旭化成研究所的一名科学家AkiraYoshino博士(图4)发明了第一枚锂离子电池的原型,至今仍被认为是这项技术诞生的一个里程碑。基于该公司现有的聚合物和膜产品方面专业技术经验,Yoshino博士还发明了电池隔膜,从而使锂离子电池成为一种安全的技术。

锂离子电池的潜力在早期阶段就便得到了公认,这一领域的组件专业开发技术也在稳步提高。旭化成是当今世界领先的锂离子电池隔膜供应商,其高孔湿法电池隔膜和Celgard干法电池隔膜为不同应用领域提供了两种不同类型的电池隔膜。

除了锂离子电池外,该公司很早就通过其工程塑料为汽车行业的电气化做出了贡献。1997年,丰田普锐斯推出了世界上第一辆电动汽车。旭化成参与了该车的研发,并用聚丙烯和聚苯醚(PP/PPE)组成的Xyron聚合物合金为镍金属氢化物电池(图5)组制造了壳体。该材料具有优良的化学耐受性和高尺寸精度以及出色的水阻隔性能,因此被认为是镍金属氢化物电池外壳的最佳材料。

电气化热塑性塑料

工程塑料具有多种性能,被广泛应用于汽车电气化。这种材料的关键优势之一是具有极强的阻燃性。电动汽车对阻燃塑料的使用并无规定,但汽车制造商更倾向于使用无卤V-0阻燃性材料,以避免在短路的情况下引发火灾。

锂离子电池的产量预计会随着电动汽车产量的增加而增长。汽车制造商在回收锂离子汽车电池方面面临着一个重大挑战,并正寻找其它方法来使这些锂离子电池得到重新利用。虽然使用过的电池性能有所下降,但许多汽车制造商看到了在其它领域,例如在家庭中重复利用的可能性。这也是为什么首选V-0防火材料的原因之一。以下四个案例研究说明了工程塑料在电动汽车方面的要求和应用领域。

 

塑料在电动汽车上的要求与应用领域

电池组隔板:汽车制造商一直在寻找新的轻型而又节约空间的部件。图6所示电池组隔板由m-PPEXyron340Z所制,具有V-0防火等级,并为电池组不同单元提供了绝缘带。该材料可以注塑成型,从而能够制成厚度仅为0.4mm的紧凑隔板。公司还用XyronTF700制成了一种同样具备V-0防火等级和耐化学腐蚀性的PP/PPE合金。

高刚度组件:客户不仅需要能够节省空间的部件,还需要具有高机械强度和尺寸精度的材料。这些特性有助于生产出结构紧凑且易组装的电池模块。电池组件结构件如框架或电池支架用的V-0防火等级塑料,也开始渐渐涌现。Xyron601Z和L543Z系列的材料就能满足这些应用领域的要求。

电气系统总线:电气系统总线内通过的电流非常大,因此需要能耐受很高的温度和耐漏电起痕性的材料。漏电起痕性防止漏电,并通过漏电起痕指数(CTI)进行度量。具有良好机械强度,V-0等级阻燃性和高CTI性能的LeonaFH772,非常适合这一应用。

轻量化V-0级材料:具有V-0等级阻燃性的Sunforce改性聚苯醚(m-PPE)同样适用于新一代电池。(图7)。类似于发泡聚丙烯(EPP),可用相同设备加工,但具有更高的尺寸稳定性和优良的阻燃性能。该材料适用于汽车电池组、轻型避震器、保温隔热材料等领域。电池组上必须安装加热和冷却装置,因为无论是电动还是插电式混合动力汽车,锂离子电池只有在室温下才能充分发挥功效。良好的热管理对于整个电池的高效运行至关重要。凭借Sunforce,旭化成为市场开发并提供了解决这个问题的方案。

一款可以上路的概念车

2017年5月,旭化成与电动汽车制造商GLM共同展示了双方联合研发的Akxy概念车(标题图)。它将来自工程塑料、纺织品到电池隔膜等各个细分领域的材料结合在一起。这款概念车不仅展现了现有的产品,还揭示了下一代技术。一共有27种产品体现了旭化成为汽车行业提供的应用和解决方案。据悉,Akxy概念车将于11月在德国慕尼黑举行的世界领先电子展Electronica2018年展上展出,这也是Akxy概念车首次在日本以外的地区亮相。

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