不仅仅是电池:电动汽车的化学成分

内燃机并没有消亡，但它可能已经开始消亡了。2021年11月在英国格拉斯哥举行的Cop26气候大会上，各国采取了为数不多的大胆举措之一，即宣布到2040年在所有市场逐步淘汰汽油和柴油汽车，到2035年在主要市场逐步淘汰汽油和柴油汽车。许多欧洲国家设定了更早的日期，英国选择了2030年。对许多人来说，即使这个时间表似乎也慢得令人沮丧，但这可能是汽车行业能够支持的最早的时间，因为它的交货时间很长。

这种从汽油和柴油，更广泛地说，从石油和天然气的转变，不仅是由监管驱动的，甚至不仅仅是由气候紧急情况驱动的。Cop26于2021年11月召开，当时正值英国9月的石油危机和俄罗斯入侵乌克兰的灾难性事件之间。汽油危机可能是短暂的，相对来说也无足轻重，但去年秋天，英国很少有人会轻易忘记看到一个又一个加油站关门，或者排几个小时的队加油的情景。乌克兰战争带来的变化虽然没有那么直接，但要严重得多，范围也广得多，尤其是我们对俄罗斯石油和天然气的依赖，不仅成为了环境问题，也成为了安全问题。此外，俄罗斯并不是唯一一个坐拥全球大部分剩余化石燃料储量的令人不快的政权;尤其是沙特阿拉伯和卡塔尔的政府，几乎没有比这更有味道。

对许多人来说，汽车或货车是满足他们交通需求的唯一可行的解决方案

这些全球趋势已经加速了人们对从汽油转向其他汽车的兴趣;今年在欧洲销售的汽车中大约有12% - 15%可能是电动汽车。Connected Places Catapult是英国九个创新中心之一，在广泛的领域与企业进行后期研究和开发。它对城市、交通和地方的关注将其与2019年通过的到2050年实现温室气体净零排放的挑战联系起来。它正在大力投资项目，以减少英国27%的交通排放，重点是低排放和零排放车辆。

Connected Places Catapult公司的高级技术专家艾伦·内特尔顿(Alan netttleton)说:“很明显，促进行为改变，让人们更容易选择步行、骑自行车或乘坐公共交通工具，以及创新的‘移动即服务’解决方案，比如现在广泛使用的电动滑板车，都是有作用的。”“但对许多人来说，汽车或货车是满足他们交通需求的唯一可行解决方案。”因此，我们必须确保私人车辆尽可能清洁，这意味着纯电动汽车。”

无论未来的汽车是自动驾驶还是手动驾驶，无论是个人拥有还是共享，它们几乎都将不可避免地成为电动汽车。虽然很明显，全电动汽车不消耗碳氢化合物燃料，但与传统汽车相比，它们的制造需要更多的精细化学品、塑料和聚合物。

要求的标准

纯电动汽车(通常称为bev)有一个强大的电动牵引电机来代替内燃机，没有燃油泵、燃油管路或油箱。因此，它没有排气或排气管，因此没有“排气管排放”(一个用于评估排放或其他车辆类型的关键统计数据)。这与各种形式的混合动力汽车形成对比，混合动力汽车虽然包含电池，但仍然使用汽油或柴油发动机。由大量锂离子电池组成的大型电池组安装在车底下，驱动电机，电机的动力通过电力传输传输到车轮上。冷却剂系统包围着车辆的电气和电子部件，使它们绝缘并保持安全的工作温度。

电动汽车只有在其结构中使用的材料具有一组特定的特性(无论是单独的还是组合的)时，才能安全有效地运行。车辆的部分部件受到极高的电压、温度和应力的影响，因此一些部件必须完全电隔离，并且车辆还必须抵抗这种应力。电池必须防止碰撞损坏，以防止火灾，整个车辆必须由低密度材料制成，以减少车辆的总重量。这个问题限制了最早型号的使用。材料也必须尽可能耐用和便宜。内特顿说，到目前为止，纯电动汽车只打入了高端市场。他说，制造成本必须降低，但在汽车普遍成为二手车之前，不太可能普及。

最后，甚至像颜色这样看似平凡的东西也可能是一个问题:用于表示常见危险(如高压电缆)的颜料必须是稳定的。因此，一些世界顶级化工企业迅速进入这一领域也就不足为奇了。

含氟聚合物是电绝缘涂料的理想材料

当今汽车中的锂离子电池比我们手持电子设备中无处不在的同类型电池要强大得多。伦敦大学学院(University College London)化学工程教授保罗·希林(Paul Shearing)是SafeBatt联盟的成员，该联盟由法拉第研究所(Faraday Institution)资助，由六所英国大学和工业合作伙伴组成。他说:“电池在汽车地板上的包装，以及电池之间的隔膜，必须提供完全的绝缘和保护，不仅在正常使用期间，而且在碰撞后可能发生的灾难性故障期间。”

此外，趋势是电机和传动系统组件的功率密度更高。这需要电机具有改进的绕组线性能，更小的电机具有相同的功率和更低的成本，通过简单的设计和使用更少的材料来实现更大的扭矩和速度。目前的标准电线涂层很容易因热、高压和电机频率而退化，并失去其绝缘和电气性能。新型含氟聚合物被视为下一代材料，具有这些应用的理想性能。

日本跨国化学品公司大金工业(Daikin Industries)最初专门生产空调，这意味着由于其在氟碳化学方面的专业知识，它在进入这一市场方面处于有利地位。位于德国多特蒙德的大金化学欧洲创新中心负责应用开发的副总裁Peter Hupfield说:“由于碳氟键的独特性质，含氟聚合物是用于电机绕组的绝缘涂层的理想材料。”“这是化学中最强的共价键之一，因为它的极性性质，氟原子周围的电子密度很高，所以很难打破。”这些化合物非常稳定，因此提供了独特的电气，机械，化学和耐热性能，是开发高性能电线等苛刻应用的理想选择。

安全问题

总部位于德国的化工巨头巴斯夫(BASF)既是汽车行业的专家，又是可持续发展的先驱，在某种程度上是一个异类:例如，2008年，它是世界上第一家记录并公布自身二氧化碳排放量的大型制造企业。电动汽车的材料化学非常适合这家公司，巴斯夫的产品用于电动汽车的车身，也用于冷却剂、防腐涂料，也许令人惊讶的是，还用于专业着色剂。

所有汽车都需要冷却剂来防止发动机过热和潜在的火灾，但电动汽车的冷却剂尤其重要，因为涉及到更高的温度和电压。汽车工业中使用的典型冷却剂主要由水和乙二醇的混合物组成。这两种液体都是必需的，因为它们具有独特的物理特性:水具有高热容量和导热性，可以使电池的热量在整个车辆中迅速消散;乙二醇具有低熔点，如果车辆要在寒冷的气候中使用，这一点至关重要。当温度达到-37℃时，水与乙二醇的比例为1:1时才会结冰。冷却剂的其他成分，仅略高于微量水平，是有机或无机缓蚀剂，用于保护冷却剂回路的金属成分-铝，铜，钢或其他合金-免受损害。

巴斯夫正在开发更安全的新一代冷却剂，其导电性更低，可以防止触电和火灾的发生。德国巴斯夫汽车润滑油技术营销高级经理Itamar Malkowsky说:“即使电池在事故中损坏，我们的新型Glysantin电气化冷却剂也不会与电池的高压组件发生反应，而冷却剂直接与电池接触。”“我们通过使用极性较低的乙二醇衍生物和非离子腐蚀抑制剂，或具有低离子解离倾向的离子抑制剂来实现这一目标。”

自20世纪40年代以来，当RAL颜色表系统完成时，40种标准化颜色中的任何一种都可以使用字母RAL和四位数代码来指定。巴斯夫高性能材料研发高级副总裁Josef wnsch说:“几年前，德国汽车工业的一个工作组找到我们，要求我们为电动汽车的高压部件设计一种明亮、容易识别的警告色。”“他们要的是RAL2003，一种容易辨认的橙色(在颜色表中被描述为柔和的橙色);我们面临的挑战是生产出一种在整个车辆寿命期间保持稳定的配方。由简单的红色和黄色颜料混合而成的橙色会迅速褪为褐色，但巴斯夫的研究人员已经能够生产出一种无机颜料和有机染料的混合物，这种混合物完全符合规格，并经受住了时间的考验。

可耐福工业公司(Knauf Industries)于1932年在德国成立，目前在整个欧洲开展业务，是另一家在电动汽车制造领域找到一席之地的化学品公司。可耐福的轻质、耐用的膨胀聚丙烯和膨胀聚苯乙烯泡沫塑料已被用于制造模压汽车部件超过20年。然而，这些材料也具有物理特性，使它们成为电池组中理想的电池分离器。它们是优秀的热和电绝缘体，即使汽车发生碰撞，也能大大降低电池部件之间或外部的热泄漏或电流流动的风险。

回收要求

没有尾气排放的车辆在其生命周期内可以被认为是净零排放，至少如果它们是由可再生能源驱动的(这既不受制造商的控制，也不一定是司机的控制)。然而，只有在制造和处置过程中不产生排放，并且其组件被回收利用的情况下，它们才能被视为完全的净零排放。至少，这些电池的使用寿命比业内专家最初预期的要长得多。希尔林说:“一个典型的锂离子电池在1000次充电循环中仍然‘足够高效’。”“一次充电的典型续航里程约为250英里，这款车的续航里程为25万英里……很少有传统汽车能达到这个里程，所以电池的续航时间可能比汽车更长。”事实上，一块电池在其原始容量的80%左右“退役”时，它仍有许多潜在用途，只是不适用于汽车。最终取代锂离子电池的电池应该更高效、更持久。

1000次充电循环的寿命，电池的寿命可能比汽车更长

大型商用车对制造商来说是一个特别的挑战，因为它们的强大电池需要更多的资源来保持充电。一辆普通卡车将需要500千瓦时的电池，这大约是一辆普通中型私家车电池容量的8倍。内特尔顿说:“为了有效地运送货物，电动卡车的电池必须能够在不充电的情况下运行，只要司机在法律允许的休息时间之前开车，这是4.5小时。”它们还必须快速充电，这给充电站带来了进一步的压力。“然而，目前正在考虑气候友好型公路货运的替代解决方案。西门子的eHighway正在德国的几段高速公路上进行试验，它通过头顶的受电弓为卡车提供电力，类似于火车使用的受电弓。

汽车和卡车将在未来几十年成为我们生活的一部分。如果我们真的要及时应对净零排放的挑战，以避免最严重的气候崩溃，如果我们要摆脱从不稳定或专制政权进口化石燃料的依赖，下一代电动汽车必须“从摇篮到坟墓”更具可持续性，尽可能多的零部件容易回收。也许最重要的是，它们必须让普通驾车者更能负担得起。向前迈出的重要一步将是用一种或多种电池类型取代锂离子电池技术，这些电池使用的材料便宜、可回收且容易获得。满足这些和其他材料用于未来电动汽车的技术要求，必然会为化学家提供更多的机会。

克莱尔·桑瑟姆是一位生活在英国剑桥的科学作家