Komplexní výklad pokročilých kompozitů pro elektrická vozidla a automobilový průmysl
Kompozitní materiály se týkají materiálů složených ze dvou nebo více různých materiálů. Typicky mohou být jako hlavní matricové materiály použity kovy, keramika nebo polymerní materiály. Ve srovnání s tradičními materiály je většina kompozitních materiálů navržena se zaměřením na vysokou měrnou pevnost, nižší hmotnost a relativně vysokou odolnost proti korozi. Vyšší pevnost, vyšší únavová pevnost, lepší fyzikální vlastnosti, nižší hmotnost a lepší povrchová úprava jsou hlavními výhodami kompozitních materiálů.
V automobilovém průmyslu jsou kompozitní materiály lehčí než nejčastěji používané kovy. Kompozity na bázi uhlíkových vláken jsou nejvýkonnější polymerní kompozity používané v automobilech, letectví, vojenské obraně a sportovním vybavení. U tradičních automobilů tvoří kov centrální strukturu, zatímco některé vnitřní části jsou vyrobeny z kompozitních materiálů. V posledních letech jsou kompozity z uhlíkových vláken považovány za nejvhodnější materiál pro snížení hmotnosti vozidla, i když se mohou lišit od tradičních kovů a jsou drahé.
Ve srovnání s hliníkovými slitinami mohou kompozitní materiály zaznamenat více vylepšení mechanických vlastností, mikrostruktury a morfologie povrchu. Obecně je použití kompozitních materiálů v automobilovém průmyslu klasifikováno jako speciální materiály. V elektrických vozidlech tvoří ocel a litina přibližně polovinu hmotnosti materiálů; hliníkové slitiny tvoří asi 9 % z celkového počtu, plasty tvoří 11 % a pryž tvoří 3 %. V současné době se průmyslová odvětví zaměřují na využívání obnovitelných zdrojů a další využívání recyklovatelných, ekologických a méně nebezpečných materiálů s globálním dopadem.
Snižování emisí a spotřeby paliva jsou hlavní výzvy, kterým automobilový průmysl čelí. V důsledku výroby energie založené na fosilních palivech na bázi uhlíku se do životního prostředí uvolňuje velké množství skleníkových plynů. S neustálým nárůstem celosvětové spotřeby elektřiny došlo v posledních několika desetiletích ke zvýšení poptávky po energii. Vzhledem k vysokým nákladům na palivo a také s ohledem na zhoršování životního prostředí jsou spotřebitelé motivováni k výběru elektromobilů. Poptávka a motivace k používání elektrických vozidel vzrostly v mnoha zemích po celém světě. Elektromobily jsou alternativou k naftovým, benzínovým a jiným vozidlům na fosilní paliva, protože používají lithium-iontové baterie, které nabízejí pohodlí smíšeného nabíjení a jsou lehčí, protože většina komponentů je vyrobena z kompozitních materiálů pro zlepšení palivové účinnosti vozidla. Navíc nemusí vyžadovat většinu součástí potřebných pro tradiční vozidla poháněná fosilními palivy. Některé společnosti zabývající se pojížděním se zaměřují na výměnu svých vozových parků se spalovacími motory za elektromobily.
Pro řešení problémů s energetickou účinností výzkumníci doporučují používat lehké materiály jako náhradu automobilových dílů, které mohou snížit hmotnost vozidla a zároveň zvýšit spotřebu paliva. Na každých 10 kilogramů snížení hmotnosti vozidla se emise uhlíku sníží o 1 gram na kilometr, čímž se sníží spotřeba paliva. Lehké řešení se postupně stává důležitou metodou, protože se ukázalo jako účinné při snižování spotřeby paliva a emisí.
Odlehčení automobilů se zaměřuje na snížení hmotnosti vozidla prostřednictvím alternativních materiálů a přepracování součástí při zachování velikosti vozidla a dalším zajištění potřeb spotřebitelů. Při konstrukci vozidel se spalovacím motorem výzkumníci použili různé technologie ke studiu výhod lehkých materiálů ve srovnání s tradičními. Výsledkem integrace elektrických vozidel a lehké konstrukce je snížení dopadu vozidla na životní prostředí. Kromě toho je použití lehkých materiálů v elektrických vozidlech předvídatelné, protože mohou zlepšit výkon snížením hmotnosti, jako je dojezd a řízení velikosti baterie (jak je znázorněno na obrázku níže).
Složení konstrukčních dílů elektrického vozidla
Kompozitní materiály jsou považovány za potenciální kandidátské materiály pro výrobu lehkých komponentů a bylo vynaloženo úsilí na snížení hmotnosti vozidel a zároveň na vývoj nákladově efektivních metod výroby lehkých materiálů, jako jsou plasty vyztužené uhlíkovými vlákny (CFRP). Ve srovnání s tradičními materiály má CFRP vysokou pevnost, nízkou hmotnost, dobrou odolnost proti vibracím, vysokou tuhost a vyšší odolnost proti únavě a korozi.
V posledních letech, přestože se technologii automobilových kompozitních materiálů věnuje široká pozornost a výzkum, zaměstnanost v automobilovém průmyslu stále zaostává za leteckým průmyslem. K uspokojení rostoucí poptávky po elektrických vozidlech je proto zapotřebí další vývoj a pokrok. Následující tabulka ukazuje klasifikaci různých typů vozidel. Zkombinujeme-li současné statistiky z odvětví elektrických vozidel a automobilového průmyslu, odhadovaná hodnota mezinárodního trhu s osobními elektrickými vozidly v roce 2020 činila přibližně 120,81 miliardy USD s očekávanou složenou roční mírou růstu přibližně 32,5 % od roku 2021 do roku 2028.
Různé kategorie vozidel
V roce 2020 byl celosvětový prodej automobilů přibližně 3 miliony kusů, což představuje nárůst o téměř 40 % oproti roku 2019. Ve stejném roce představovala elektrická vozidla v Číně přibližně 30 % celosvětového prodeje. Od roku 2021 nabízí Spojené státy více než 15 různých modelů bateriových elektrických vozidel (BEV). Ve srovnání s plug-in hybridními elektrickými vozidly (PHEV) se očekává, že BEV zaznamenají vyšší růst kvůli problémům s dojezdem.
V oblasti elektromobilů s akumulátorem byla nejběžnější upgradovaná verze Tesla Model S, přičemž dodavatel dosáhl v roce 2020 více než 70 % prodejů v doméně elektromobilů. Nejvyšší složená roční míra růstu v odvětví PHEV by mohla v prognózovaném období překročit 32 %. Tento pokrok lze přičíst doporučením předloženým vládami průmyslových a rozvojových ekonomik na podporu používání elektrických vozidel.