ТЕНДЕНЦИИ
Химия электромобилей 20
Июнь 2022 The Chemical Journal
ТЕНДЕНЦИИ
Даже такая обыденная вещь, как цвет, может стать проблемой при изготовлении электромобилей: пигменты, используемые для изготовления высоковольтных кабелей, должны быть сверхстабильными.
Анастасия Громова
О
дним из немногих смелых шагов, предпринятых на климатической конференции COP 26 в ноябре 2021 года в Шотландии, была декларация о постепенном прекращении продаж бензиновых и дизельных автомобилей к 2040 году на всех рынках и к 2035 году — на ведущих рынках: многие европейские страны установили более ранние сроки, Великобритания выбрала 2030 год. Даже такой график многим кажется удручающе медленным, но, вероятно, это самый ранний срок, который может обеспечить автомобильная промышленность с ее инертными механизмами разработки. Двигатель внутреннего сгорания не умер, но приготовился на выход.
Cop 26 в ноябре 2021 года оказался в промежутке между бензиновым кризисом, который накрыл Великобританию в сентябре 2021 года, и катастрофой в континентальной Европе в феврале 2022 года. Возможно, бензиновый кризис был кратковременным и относительно тривиальным, но мало кто в Великобритании легко забудет, как прошлой осенью закрывались бензоколонки одна за другой или водители часами стояли в очередях, чтобы заполнить топливный бак. Война привела к изменениям не настолько непосредственным, но гораздо более масштабным, так как она превратила в сторонников отказа от углеводородов тех, кто до сих пор был противником климатического лобби. Теперь любой европеец верит, что зависимость от нефти и газа из России становитМежду Сциллой ся если не экологической проблемой, то проблемой безопасности. и Харибдой Более того, пример с Россией резко Уход от бензина и дизельного топли- и в один момент убедил скептиков, что ва, а также от нефти и газа в целом, как зависимость в вопросах энергообестеперь выясняется, необходим коллек- печения от любого внешнего источтивному Западу не только из-за чрезвы- ника опасна. Ведь Россия — не единчайной климатической ситуации. ственная страна с непроницаемым для The Chemical Journal Июнь 2022
европейцев настоящим и непредсказуемым будущим: значительной частью оставшихся мировых запасов ископаемого топлива распоряжаются правительства Саудовской Аравии и Катара, которые мало кто назовет более толерантными или прогнозируемыми.
Рабы привычки В 2022 году Европа, по расчетам, продемонстрирует показатель в 12-15 % электромобилей в общем годовом объеме продаж авто. Connected Places Catapult — один из девяти инновационных центров в Великобритании, которые ведут исследования в городах и на транспорте в связи с принятой в 2019 году целью достижения чистого нуля к 2050 году. «Очевидно, что оказывается колоссальное давление общества на изменение поведения, и это приводит к выбору людьми пеших, велосипедных прогулок, общественного транспорта, а также решений класса „мобильность как услуга“, например электроскутера», — говорит Алан Неттлтон, старший технолог из Connected Places Catapult. 21
ТЕНДЕНЦИИ
Производство электромобилей уже сейчас требует гораздо больше высокотехнологичных химикатов, пластмасс и полимеров, чем производство обычных автомобилей, а в будущем доля «эко-френдли» материалов возрастет.
Но для многих людей автомобиль или фургон останутся единственным приемлемым решением транспортных потребностей. Поэтому частные автомобили обязаны стать чистыми, а это значит — выбор падает на электромобили и аккумуляторы». Независимо от того, будут ли автомобили будущего автономными или управляемыми вручную, индивидуальными или общими, они практически неизбежно будут электрическими. Охлаждающие жидкости для батарей электромобилей дополнительно должны защищать от потенциального электрического разряда. Устройство аккумулятора. Автомобильные батареи должны быть охлаждены, электрически изолированы и защищены от столкновений.
Без углерода никуда Хотя полностью электрические автомобили не потребляют углеводородного топлива, их производство по-прежнему требует использования высокотехнологичных химикатов, пластмасс и полимеров, и требования к этим материалам гораздо выше, чем при выпуске обычных автомобилей.
Требовательные критерии Электромобили на аккумуляторах (так называемые BEV) имеют мощный электрический тяговый двигатель, заменяющий двигатель внутреннего сгорания, и не имеют топливного насоса, топливопровода или топливного бака. Поэтому у них нет выхлопных газов и выхлопных труб, а значит, нет выбросов. Это контрастирует с различными формами гибридных электромобилей, 22
которые, хотя и содержат аккумулятор, все же имеют бензиновые или дизельные двигатели. Большой аккумуляторный блок, состоящий из множества литий-ионных элементов и расположенный под полом автомобиля, приводит в движение двигатель, который передает поступательный момент на колеса через электрическую трансмиссию. Система охлаждения окружает электрические и электронные компоненты автомобиля для их изоляции и поддержания безопасной рабочей температуры. Электромобиль может работать безопасно и эффективно только в том случае, если материалы, используемые в его конструкции, обладают определенным набором свойств — как по отдельности, так и в сочетании друг с другом. Части электромобиля подвергаются чрезвычайно высоким напряжениям, температурам и нагрузкам, поэтому некоторые компоненты должны быть полностью электрически изолированы, и автомобиль должен быть устойчив к критическим нагрузкам. Батарея должна быть защищена от повреждений при столкновении, чтобы предотвратить возгорание, а весь автомобиль должен быть изготовлен из материалов с низкой плотностью, чтобы уменьшить общий вес. Сложность выполнения последнего требования ограничила использование самых первых моделей электрических авто. Июнь 2022 The Chemical Journal
ТЕНДЕНЦИИ
Расположение батарей в грузовом электромобиле.
Материалы также должны быть максимально прочными и недорогими. «Пока что BEV проникли только в верхнюю часть рынка, — говорит Неттлтон. — Производственные затраты должны снизиться, но всеобщее распространение вряд ли возможно до тех пор, пока автомобили не станут общедоступными, то есть сравнимыми по цене со старыми добрыми ДВС». И, наконец, даже такая, казалось бы, обыденная вещь, как цвет, может стать проблемой: пигменты, используемые для обозначения, например, высоковольтных кабелей, должны быть стабильными. Итак, неудивительно, что некоторые из ведущих мировых химических компаний быстро перешли в новый сектор и занялись специализированной химией для электромобилей.
Фторполимеры
GM переходит с химического состава никель-марганец-кобальт в батареях на разработанную совместно с LC Chem смесь NCMA. «А» означает алюминий, который снизит содержание кобальта на 70 %. Tesla также переходит на NCMA. Решение от GM и LC Chem позволит преодолеть планку стоимости в 100 $ за кВт/ч. Смазочные материалы для электромобилей имеют более высокие технические требования по сравнению с ДВС, в частности, в сопротивлениеи износу, снижении трения, эффективности, электрической совместимости и изоляции, а также охлаждении электродвигателя и аккумуляторного блока.
Литий-ионные элементы в современных автомобилях обладают гораздо большей мощностью, чем вездесущие батареи того же типа, используемые в наших портативных электронных устройствах. «Упаковка батареи в полу автомобиля и разделители между элементами должны обеспечивать полную изоляцию и защиту не только при нормальном использовании, но и при экстремальной нагрузке или катастрофе, которые возможны во время аварии», — говорит The Chemical Journal Июнь 2022
23
ТЕНДЕНЦИИ
Через 10 лет Mersedes будет на 40 % состоять из переработанных материалов.
Пол Ширинг, профессор химического машиностроения в Университетском колледже Лондона и член консорциума SafeBatt, объединяющего шесть британских университетов и промышленных партнеров, финансируемых Институтом Фарадея. Кроме того, наблюдается тенденция к повышению нагрузки в компонентах двигателя и трансмиссии. Это требует улучшенных свойств обмоточного провода, меньшего размера двигателей при той же мощности, с более низкой стоимостью за счет простоты конструкции и использования меньшего количества материалов для обеспечения большего крутящего момента и скорости. Современные стандартные покрытия проводов легко разрушаются под воздействием тепла, высокого напряжения и вибрации двигателя, теряя изоляционные и электрические свойства. Новые классы фторполимеров рассматриваются как следующее поколение материалов, обладающих идеальными свойствами для этих применений.
Фторуглероды Японская транснациональная химическая компания Daikin Industries изначально специализировалась 24
на кондиционировании воздуха и обладает экспертными знаниями в химии фторуглеродов. «Фторполимеры — идеальные материалы для электроизоляционных покрытий обмотки электродвигателя благодаря уникальной природе связи углерода с фтором, — говорит Питер Хупфилд, вице-президент по разработке приложений в Европейском инновационном центре Daikin Chemical в Дортмунде, Германия. — Это одна из самых прочных ковалентных связей в химии из-за ее полярной природы, с высокой электронной плотностью вокруг атома фтора, поэтому ее очень трудно разорвать. Эти соединения исключительно стабильны и как таковые обеспечивают уникальные электрические, механические, химические и термостойкие свойства, идеально подходящие для таких ответственных применений, как разработка проводов с высокими эксплуатационными характеристиками».
и опубликовавшей данные о своих выбросах углекислого газа. Неудивительно, что компания выбрала для себя направление электромобилей раньше, чем этот сектор рынка стал обещать своим участникам сверхприбыли. Химия материалов для электромобилей стало для компании местом постоянной регистрации. Продукция Basf используется в кузовах электромобилей, в качестве охлаждающих жидкостей, антикоррозийных покрытий, специальных красителей.
Охлаждающие жидкости
Все автомобили нуждаются в охлаждающих жидкостях для предотвращения перегрева двигателей и потенциального возгорания, но охлаждающие жидкости для электромобилей особенно важны из-за более высоких температур и напряжений в машинах этого класса. Типичная охлаждающая жидкость, Зеленый сектор используемая в автомобильной промышленности, состоит в основном Компания Basf позиционируется как из смеси воды и этиленгликоля. Обе пионер в области устойчивого раз- жидкости необходимы в смеси из-за хавития. В 2008 году Basf стал первой рактерных физических свойств: вода — крупной производственной компа- из-за ее высокой теплоемкости и тепнией в мире, зарегистрировавшей лопроводности, позволяющей быстро Июнь 2022 The Chemical Journal
ТЕНДЕНЦИИ отводить тепло от батареи по всему автомобилю, а гликоль — из-за низкой температуры плавления, что очень важно в холодном климате. Смесь воды и гликоля в соотношении 1:1 не замерзнет, пока температура не достигнет –37°C. Другими компонентами охлаждающих жидкостей, не превышающими следовых уровней, являются органические или неорганические ингибиторы коррозии, добавляемые для защиты от повреждений металлических компонентов контуров охлаждающей жидкости — алюминия, меди, стали или других сплавов. Basf разрабатывает новое поколение охлаждающих жидкостей с более низкой электропроводностью для защиты от возможности поражения электрическим током и пожаров. «Наша охлаждающая жидкость Glysantin Electrified не вступает в реакцию с высоковольтными компонентами аккумулятора, даже если аккумулятор поврежден в результате аварии и охлаждающая жидкость вступает с ним в прямой контакт», — говорит Итамар Малковски, старший менеджер по техническому маркетингу автомобильных жидкостей компании Basf в Германии. — Мы добиваемся этого, используя производные гликоля с меньшей полярностью и неионные ингибиторы коррозии или ионные с низкой склонностью к диссоциации ионов».
Красители С 1940-х годов, когда была завершена разработка системы цветовых карт RAL, любой из 40 стандартизированных цветов может быть указан с помощью букв RAL, за которыми следует четырехзначный код. Несколько лет назад рабочая группа Ассоциации автомобилестроения Германии обратилась к нам с просьбой подобрать яркий и хорошо узнаваемый предупреждающий цвет для обозначения высоковольтных компонентов электромобилей», — говорит Йозеф Вюнш, старший вице-президент Basf по исследованиям и разработкам в области эксплуатационных материалов. — Они запросили RAL2003, легко узнаваемый оранжевый оттенок, описанный в списке цветов как Pastel orange. Нашей задачей было создать состав, который оставался бы стабильным в течение всего срока службы автомобиля». Оттенки оранжевого, получаемые из простых смесей красных и желтых пигментов, могут быстро выцветать до коричневатого, но исследователи Basf смогли создать The Chemical Journal Июнь 2022
смесь неорганических пигментов и органических красителей, которая точно соответствует спецификации и выдерживает испытание временем. Knauf Industries, основанная в 1932 году в Германии и работающая сейчас по всей Европе, — еще одна химическая компания, которая нашла применение своим компетенциям в производстве электромобилей. Легкие и прочные вспененные полипропилены и пенополистиролы Knauf используются для изготовления формованных компонентов автомобилей более 20 лет. Именно эти материалы обладают физическими свойствами, которые делают их идеальными в качестве разделителей элементов в аккумуляторных батареях. Они являются отличными тепло- и электроизоляторами, что значительно снижает риск утечки тепла или протекания тока между частями аккумулятора или вне этих деталей, даже если автомобиль попадет в аварию.
Большие коммерческие автомобили представляют собой особую проблему для производителей, поскольку их мощные батареи требуют больше ресурсов для поддержания заряда. Для типичного грузового автомобиля требуется батарея емкостью 500 кВт/ч, что примерно в восемь раз больше, чем для обычного частного автомобиля среднего размера. «Для эффективной доставки грузов батареи в электрических грузовиках должны быть способны работать без подзарядки столько времени, сколько по закону разрешено водителю до перерыва на отдых, то есть 4,5 часа, — говорит Неттлтон. — Они также должны быстро подзаряжаться, что создает дополнительную нагрузку на зарядные станции». Однако сейчас рассматриваются альтернативные решения для климатически чистых автомобильных перевозок. Система eHighway компании Siemens, которая проходит испытания в Германии на нескольких участТребования к утилизации ках автобана, обеспечивает грузовики электроэнергией через подвесной панАвтомобили без выбросов могут счи- тограф, аналогичный тем, что испольтаться чистыми в течение срока служ- зуются в поездах. бы, по крайней мере, если они работают на возобновляемой энергии Решения в массы (которая не находится под контролем ни производителя, ни водителя). Одна- Легковые и грузовые автомобили буко их можно считать достигшими чи- дут частью нашей жизни еще многие стого нуля только в том случае, если десятилетия. «Если мы хотим действипри их производстве и утилизации так- тельно достичь „чистого нуля“ вовреже не возникает выбросов, а их компо- мя, чтобы предотвратить худшие последствия климатических катаклизмов, ненты перерабатываются. А пока — батареи прослужили го- если мы хотим отучиться от импорта раздо дольше, чем первонача льно ископаемого топлива из стран с чуждой ожидали эксперты отрасли. «Типич- для европейцев этикой — следующее ная литий-ионная батарея остается поколение электромобилей должно достаточно эффективной в течение быть более устойчивым, от создания 1000 циклов зарядки, — говорит Ше- до утилизации, с максимально возможринг. При типичной дальности про- ным количеством легко перерабатываебега между зарядками около 250 миль, мых компонентов» — говорят нам лиэто составляет четверть миллиона деры химического рынка. И, пожалуй, самое главное, — элекмиль. Немногие обычные автомобили показывают такой пробег, поэтому ба- тромобили должны быть более дотарея может прослужить дольше, чем ступными, стать оптимальным решением для среднего автомобилиста. автомобиль». На самом деле, батарея «уходит Одним из важ ных шагов вперед, на пенсию» примерно при 80 % ее пер- на пути к массовому распространевоначальной емкости, когда она еще нию, станет замена технологии лиимеет много потенциальных примене- тий-ионных батарей на один или несколько типов батарей, в которых ний, но только не в автомобилях. Аккумуляторы, которые со време- используются дешевые, перерабатынем придут на смену литий-ионным, ваемые и легкодоступные материалы. станут еще более эффективными Выполнение технических требований к этим и другим материалам, которые и долговечными. При ресурсе в 1000 циклов заряд- будут использоваться в будущих элекки батарея может прослужить дольше, тромобилях, предоставит еще больше возможностей для химиков. чем автомобиль. 25