Περιεκτική ερμηνεία προηγμένων σύνθετων υλικών για ηλεκτρικά οχήματα και αυτοκινητοβιομηχανία
Τα σύνθετα υλικά αναφέρονται σε υλικά που αποτελούνται από δύο ή περισσότερα διαφορετικά υλικά. Τυπικά, μέταλλα, κεραμικά ή πολυμερή υλικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως κύρια υλικά μήτρας. Σε σύγκριση με τα παραδοσιακά υλικά, τα περισσότερα σύνθετα υλικά έχουν σχεδιαστεί με έμφαση στην υψηλή ειδική αντοχή, το χαμηλότερο βάρος και τη σχετικά υψηλή αντοχή στη διάβρωση. Μεγαλύτερη αντοχή, μεγαλύτερη αντοχή σε κόπωση, καλύτερες φυσικές ιδιότητες, μικρότερο βάρος και καλύτερο φινίρισμα επιφάνειας είναι τα κύρια πλεονεκτήματα των σύνθετων υλικών.
Στην αυτοκινητοβιομηχανία, τα σύνθετα υλικά είναι ελαφρύτερα από τα πιο συχνά χρησιμοποιούμενα μέταλλα. Τα σύνθετα υλικά με βάση ανθρακονήματα είναι τα πολυμερή σύνθετα υλικά με την υψηλότερη απόδοση που χρησιμοποιούνται σε αυτοκίνητα, αεροδιαστημική, στρατιωτική άμυνα και αθλητικό εξοπλισμό. Στα παραδοσιακά αυτοκίνητα, το μέταλλο αποτελεί την κεντρική δομή, ενώ ορισμένα εσωτερικά μέρη είναι κατασκευασμένα από σύνθετα υλικά. Τα τελευταία χρόνια, τα σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα θεωρούνται το καταλληλότερο υλικό για τη μείωση του βάρους του οχήματος, αν και μπορεί να διαφέρει από τα παραδοσιακά μέταλλα και είναι ακριβό.
Σε σύγκριση με τα κράματα αλουμινίου, τα σύνθετα υλικά μπορούν να δουν περισσότερες βελτιώσεις στις μηχανικές ιδιότητες, τη μικροδομή και τη μορφολογία της επιφάνειας. Γενικά, η εφαρμογή σύνθετων υλικών στην αυτοκινητοβιομηχανία ταξινομείται ως ειδικά υλικά. Στα ηλεκτρικά οχήματα, ο χάλυβας και ο χυτοσίδηρος αποτελούν περίπου το ήμισυ των υλικών κατά βάρος. Τα κράματα αλουμινίου αποτελούν περίπου το 9% του συνόλου, τα πλαστικά αντιπροσωπεύουν το 11% και το καουτσούκ το 3%. Σήμερα, οι βιομηχανίες επικεντρώνονται στη χρήση ανανεώσιμων πηγών και περαιτέρω αξιοποιούν ανακυκλώσιμα, φιλικά προς το περιβάλλον και λιγότερο επικίνδυνα υλικά με παγκόσμιο αντίκτυπο.
Η μείωση των εκπομπών και της κατανάλωσης καυσίμου είναι μείζονες προκλήσεις που αντιμετωπίζει η αυτοκινητοβιομηχανία. Λόγω της παραγωγής ενέργειας που βασίζεται σε ορυκτά καύσιμα με βάση τον άνθρακα, εκπέμπεται μεγάλη ποσότητα αερίων του θερμοκηπίου στο περιβάλλον. Με τη συνεχή αύξηση της παγκόσμιας κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας, έχει σημειωθεί αύξηση της ενεργειακής ζήτησης τις τελευταίες δεκαετίες. Λόγω του υψηλού κόστους των καυσίμων, αλλά και λόγω της υποβάθμισης του περιβάλλοντος, οι καταναλωτές παρακινούνται να επιλέξουν ηλεκτρικά οχήματα. Η ζήτηση και το κίνητρο για χρήση ηλεκτρικών οχημάτων έχουν αυξηθεί σε πολλές χώρες σε όλο τον κόσμο. Τα ηλεκτρικά οχήματα είναι εναλλακτικές για τα οχήματα ντίζελ, βενζίνης και άλλων ορυκτών καυσίμων, επειδή χρησιμοποιούν μπαταρίες ιόντων λιθίου, οι οποίες προσφέρουν την άνεση της μικτής φόρτισης και είναι ελαφρύτερες σε βάρος, καθώς τα περισσότερα εξαρτήματα είναι κατασκευασμένα από σύνθετα υλικά για τη βελτίωση της απόδοσης καυσίμου του οχήματος. Επιπλέον, ενδέχεται να μην απαιτούν τα περισσότερα από τα εξαρτήματα που απαιτούνται για τα παραδοσιακά οχήματα που κινούνται από ορυκτά καύσιμα. Ορισμένες εταιρείες μεταφοράς εστιάζουν στην αντικατάσταση του στόλου των κινητήρων εσωτερικής καύσης τους με ηλεκτρικά οχήματα.
Για να αντιμετωπιστούν ζητήματα ενεργειακής απόδοσης, οι ερευνητές προτείνουν τη χρήση ελαφρών υλικών για την αντικατάσταση ανταλλακτικών αυτοκινήτων, τα οποία μπορούν να μειώσουν το βάρος του οχήματος ενώ ενισχύουν την οικονομία καυσίμου. Για κάθε 10 κιλά μείωση του βάρους του οχήματος, οι εκπομπές άνθρακα θα μειώνονται κατά 1 γραμμάριο ανά χιλιόμετρο, μειώνοντας έτσι την κατανάλωση καυσίμου. Η ελαφριά λύση γίνεται σταδιακά μια σημαντική μέθοδος επειδή έχει αποδειχθεί αποτελεσματική στη μείωση της ζήτησης καυσίμου και των εκπομπών ρύπων.
Το ελαφρύ βάρος αυτοκινήτου επικεντρώνεται στη μείωση της μάζας του οχήματος μέσω εναλλακτικών υλικών και επανασχεδιασμού εξαρτημάτων, διατηρώντας παράλληλα το μέγεθος του οχήματος και διασφαλίζοντας περαιτέρω τις ανάγκες των καταναλωτών. Στο σχεδιασμό οχημάτων με κινητήρα εσωτερικής καύσης, οι ερευνητές έχουν χρησιμοποιήσει διάφορες τεχνολογίες για να μελετήσουν τα πλεονεκτήματα των ελαφρών υλικών σε σύγκριση με τα παραδοσιακά. Το αποτέλεσμα της ενσωμάτωσης των ηλεκτρικών οχημάτων και του ελαφρού σχεδιασμού είναι η μείωση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων του οχήματος. Επιπλέον, η χρήση ελαφρών υλικών στα ηλεκτρικά οχήματα είναι προβλέψιμη, καθώς μπορεί να βελτιώσει την απόδοση μειώνοντας τη μάζα, όπως η εμβέλεια οδήγησης και ο έλεγχος μεγέθους μπαταρίας (όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα).
Σύνθεση δομικών εξαρτημάτων ηλεκτρικού οχήματος
Τα σύνθετα υλικά θεωρούνται πιθανά υποψήφια υλικά για την κατασκευή ελαφρών εξαρτημάτων και έχουν γίνει προσπάθειες για τη μείωση του βάρους του οχήματος, ενώ παράλληλα αναπτύσσονται οικονομικά αποδοτικές μέθοδοι παραγωγής ελαφρών υλικών όπως τα πλαστικά ενισχυμένα με ίνες άνθρακα (CFRP). Σε σύγκριση με τα παραδοσιακά υλικά, το CFRP έχει υψηλή αντοχή, χαμηλό βάρος, καλή αντοχή στους κραδασμούς, υψηλή ακαμψία και υψηλότερη αντοχή στην κόπωση και στη διάβρωση.
Τα τελευταία χρόνια, αν και η τεχνολογία σύνθετων υλικών αυτοκινήτων έχει λάβει ευρεία προσοχή και έρευνα, η απασχόληση στην αυτοκινητοβιομηχανία εξακολουθεί να υστερεί σε σχέση με την αεροδιαστημική βιομηχανία. Ως εκ τούτου, απαιτείται περαιτέρω ανάπτυξη και πρόοδος για την κάλυψη της αυξανόμενης ζήτησης για ηλεκτρικά οχήματα. Το παρακάτω διάγραμμα δείχνει την ταξινόμηση διαφορετικών τύπων οχημάτων. Συνδυάζοντας τα τρέχοντα στατιστικά στοιχεία από τις βιομηχανίες ηλεκτρικών οχημάτων και αυτοκινήτων, η εκτιμώμενη αξία της διεθνούς αγοράς επιβατικών ηλεκτρικών οχημάτων το 2020 ήταν περίπου 120,81 δισεκατομμύρια δολάρια, με αναμενόμενο ετήσιο ρυθμό ανάπτυξης περίπου 32,5% από το 2021 έως το 2028.
Διαφορετικές κατηγορίες οχημάτων
Το 2020, οι παγκόσμιες πωλήσεις αυτοκινήτων ήταν περίπου 3 εκατομμύρια μονάδες, σημειώνοντας αύξηση σχεδόν 40% από το 2019. Την ίδια χρονιά, τα ηλεκτρικά οχήματα στην Κίνα αντιπροσώπευαν περίπου το 30% των παγκόσμιων πωλήσεων. Από το 2021, οι Ηνωμένες Πολιτείες έχουν προσφέρει περισσότερα από 15 διαφορετικά μοντέλα ηλεκτρικών οχημάτων με μπαταρία (BEV). Σε σύγκριση με τα plug-in υβριδικά ηλεκτρικά οχήματα (PHEV), τα BEV αναμένεται να δουν υψηλότερη ανάπτυξη λόγω των προβλημάτων αυτονομίας τους.
Στον τομέα των ηλεκτρικών οχημάτων με μπαταρία, η αναβαθμισμένη έκδοση του Tesla Model S ήταν η πιο κοινή, με τον προμηθευτή να πετυχαίνει πάνω από το 70% των πωλήσεων στον τομέα των ηλεκτρικών οχημάτων με μπαταρία το 2020. Ο υψηλότερος σύνθετος ετήσιος ρυθμός ανάπτυξης στη βιομηχανία PHEV θα μπορούσε να ξεπεράσει το 32% εντός της προβλεπόμενης περιόδου. Αυτές οι εξελίξεις μπορούν να αποδοθούν στις συστάσεις που διατύπωσαν οι κυβερνήσεις των βιομηχανικών και αναπτυσσόμενων οικονομιών για την προώθηση της χρήσης ηλεκτρικών οχημάτων.