Sveobuhvatno tumačenje naprednih kompozita za električna vozila i automobilsku industriju
Kompozitni materijali se odnose na materijale sastavljene od dva ili više različitih materijala. Obično se metali, keramika ili polimerni materijali mogu koristiti kao glavni materijali za matricu. U poređenju sa tradicionalnim materijalima, većina kompozitnih materijala je dizajnirana sa fokusom na visoku specifičnu čvrstoću, manju težinu i relativno visoku otpornost na koroziju. Veća čvrstoća, veća čvrstoća na zamor, bolja fizička svojstva, manja težina i bolja završna obrada su glavne prednosti kompozitnih materijala.
U automobilskoj industriji kompozitni materijali su lakši od metala koji se najčešće koriste. Kompoziti na bazi karbonskih vlakana su polimerni kompoziti sa najvišim performansama koji se koriste u automobilima, vazduhoplovstvu, vojnoj odbrani i sportskoj opremi. U tradicionalnim automobilima metal čini centralnu strukturu, dok su neki unutrašnji dijelovi napravljeni od kompozitnih materijala. Posljednjih godina, kompoziti od karbonskih vlakana smatraju se najpogodnijim materijalom za smanjenje težine vozila, iako se mogu razlikovati od tradicionalnih metala i skupi su.
U poređenju sa aluminijskim legurama, kompozitni materijali mogu vidjeti više poboljšanja u mehaničkim svojstvima, mikrostrukturi i morfologiji površine. Općenito, primjena kompozitnih materijala u automobilskoj industriji se svrstava u posebne materijale. U električnim vozilima, čelik i liveno gvožđe čine otprilike polovinu materijala po težini; legure aluminijuma čine oko 9% ukupnog broja, plastika 11%, a guma 3%. Danas se industrije fokusiraju na korištenje obnovljivih izvora i dalje korištenje reciklirajućih, ekološki prihvatljivih i manje opasnih materijala sa globalnim utjecajem.
Smanjenje emisija i potrošnje goriva glavni su izazovi s kojima se suočava automobilska industrija. Zbog proizvodnje energije koja se oslanja na fosilna goriva na bazi ugljenika, velika količina stakleničkih plinova se emituje u okoliš. Uz kontinuirano povećanje globalne potrošnje električne energije, došlo je do povećanja potražnje za energijom u posljednjih nekoliko decenija. Zbog visoke cijene goriva, ali i zbog degradacije okoliša, potrošači su motivirani da biraju električna vozila. Potražnja i motivacija za korištenje električnih vozila porasli su u mnogim zemljama širom svijeta. Električna vozila su alternativa vozilima na dizel, benzin i druga fosilna goriva jer koriste litijum-jonske baterije, koje nude pogodnost mješovitog punjenja i manje su težine, jer je većina komponenti napravljena od kompozitnih materijala kako bi se poboljšala efikasnost goriva. Osim toga, možda neće zahtijevati većinu komponenti potrebnih za tradicionalna vozila na fosilna goriva. Neke kompanije koje se bave prijevozom se fokusiraju na zamjenu svojih voznih parkova motora s unutrašnjim sagorijevanjem električnim vozilima.
Kako bi se riješili problemi energetske efikasnosti, istraživači predlažu korištenje laganih materijala za zamjenu automobilskih dijelova, što može smanjiti težinu vozila uz povećanje uštede goriva. Za svakih 10 kilograma smanjenja težine vozila, emisija ugljika će se smanjiti za 1 gram po kilometru, čime se smanjuje potrošnja goriva. Lagano rješenje postepeno postaje važna metoda jer se pokazalo učinkovitim u smanjenju potražnje goriva i emisija.
Automobilska laka težina se fokusira na smanjenje mase vozila kroz alternativne materijale i redizajn komponenti, uz zadržavanje veličine vozila i dalje osiguravanje potreba potrošača. U dizajnu vozila sa motorom sa unutrašnjim sagorevanjem, istraživači su koristili različite tehnologije kako bi proučavali prednosti lakih materijala u odnosu na tradicionalne. Rezultat integracije električnih vozila i laganog dizajna je smanjenje utjecaja vozila na okoliš. Štaviše, upotreba lakih materijala u električnim vozilima je predvidljiva, jer može poboljšati performanse smanjenjem mase, kao što je domet vožnje i kontrola veličine baterije (kao što je prikazano na donjoj slici).
Sastav strukturnih komponenti električnog vozila
Kompozitni materijali se smatraju potencijalnim kandidatima za proizvodnju lakih komponenti, a uloženi su napori da se smanji težina vozila uz razvoj isplativih metoda za proizvodnju lakih materijala kao što je plastika ojačana karbonskim vlaknima (CFRP). U poređenju sa tradicionalnim materijalima, CFRP ima visoku čvrstoću, malu težinu, dobru otpornost na vibracije, visoku krutost i veću otpornost na zamor i koroziju.
Posljednjih godina, iako je tehnologija kompozitnih materijala za automobile dobila široku pažnju i istraživanje, zapošljavanje u automobilskoj industriji još uvijek zaostaje za zrakoplovnom industrijom. Stoga je potreban dalji razvoj i napredak kako bi se zadovoljila rastuća potražnja za električnim vozilima. Sljedeća tabela prikazuje klasifikaciju različitih tipova vozila. Kombinujući trenutnu statistiku iz industrije električnih vozila i automobilske industrije, procijenjena vrijednost međunarodnog tržišta putničkih električnih vozila u 2020. iznosila je približno 120,81 milijardi dolara, s očekivanom složenom godišnjom stopom rasta od oko 32,5% od 2021. do 2028.
Različite kategorije vozila
Godine 2020. globalna prodaja automobila iznosila je približno 3 miliona jedinica, što je povećanje od skoro 40% u odnosu na 2019. Iste godine, električna vozila u Kini činila su oko 30% globalne prodaje. Od 2021. godine, Sjedinjene Države su ponudile više od 15 različitih modela električnih vozila na baterije (BEV). U poređenju sa plug-in hibridnim električnim vozilima (PHEV), očekuje se da će BEV imati veći rast zbog problema sa dometom.
U niši baterijsko-električnih vozila, nadograđena verzija Tesla Model S bila je najčešća, s tim da je dobavljač ostvario preko 70% prodaje u domeni baterijsko-električnih vozila u 2020. Najveća složena godišnja stopa rasta u industriji PHEV mogao premašiti 32% u predviđenom periodu. Ovaj napredak se može pripisati preporukama koje su iznijele vlade industrijaliziranih i ekonomija u razvoju da promoviraju upotrebu električnih vozila.