高性能工程塑料为汽车电动化“保驾护航”

3M汽车膜

2021 Chinaplas期间，帝斯曼工程材料推出了“探索之旅”线上虚拟展台。其中汽车（包括一般汽车应用市场和新能源汽车）占比极大，凸显了帝斯曼在该领域的雄心。帝斯曼工程材料全球高级工程开发经理于斌，接受媒体专访，与大家分享了改进工程塑料如何助力汽车电气化，以下是专访的精彩内容：

帝斯曼工程材料全球高级工程开发经理于斌
汽车电动化的不可逆性
“在各个国家和地区分别提出碳中和愿景的大背景下，我们看整个汽车行业的发展，并聚焦中国，2030年中国禁止纯燃油车销售，电动化是一个不可逆的趋势。相对于传统燃油车，汽车电气化的各种形式和深度，无论是混动、插电混动、纯电还是燃料电池，都离不开高压电池包，高压控制系统，逆变器，DC－DC转化器，电机等重要的功能性部件。帝斯曼专注于汽车的三电系统和燃料电池系统，所提供的PBT、PA66、PPS、PPA－ForTii?等材料，在目前主流主机厂，如大众、通用、特斯拉、小鹏、蔚来、理想、比亚迪、上汽、广汽、北汽、长城等品牌上都有应用。”于斌开门见山。
相对于传统燃油车中，电气系统（48V内的弱电）主要用于信号的传输，发动机启停，整车的控制等；而在电气化的过程中，对电的使用方式发生了改变，需要使用电能去驱动整个车辆，并且随着电压（数百伏特）和电流（数百安培）的升高，对工程塑料的要求和挑战也完全不同于传统燃油车。帝斯曼在汽车电气化中，针对性地研究了材料的电气绝缘性能在车辆不同工况下的变化，给设计工程师们提供了很好的工程数据，以便开发更可靠，更优异的电动车。在高温老化后，材料在不同工况下的电绝缘性，表面抗起弧性（CTI），以及塑料与金属复合注塑中机械老化及开裂，帝斯曼都有很深入的研究，并可以提供全套的解决方案。
在电动化的路径中，大致有两大类：一是依靠锂离子电池（如三元锂电，磷酸铁锂等）驱动；二是依靠燃料电池（氢燃料电池或甲醇重整燃料电池）驱动。如对比纯电车和燃料电池车，纯电车的电机效率在95％以上，其他损失大约20％，因此锂电驱动效率大约为75％。而燃料电池车效率只有约55％，纯电车的能量转化效率比燃料电池高，但是为什么燃料电池车辆目前受到如此多的关注？
燃料电池系统的必要性
目前的燃料电池技术路线有很多种，最受关注的大致有“两种”，一是氢燃料电池；二是甲醇重整燃料电池。

在重载运输中，纯电池驱动系统存在极大的电池重量、续航里程和超长的充电时间等明显缺点。随着容量的增加，电池重量也明显增加，导致每公斤货物的运输成本升高，使得纯电池技术不太适合商务运输业。与其在车辆中装载沉重的电池，不如利用燃料电池直接在车上产生所需能量。制造锂电池的关键原材料锂及钴，有很大的产地集中性，极可能受到地缘政治的影响，但氢气可实现区域内生产，现有加油站也很容易改造成燃料电池的加氢站。
在大型商用车、重卡、远洋货轮等领域的电动化过程中，将三元锂电、磷酸铁锂或其他电池形式与燃料电池系统作对比：锂电系统能量密度平均在160到240wh／kg，8级重卡跑600公里，需要装载1200到1300千瓦时的电池，如此大的电池包，其重量平均值为7～7.5吨；而燃料电池系统的整体重量会轻很多，如配置双电堆和双电机的系统，总重量大约在1.5吨左右，这是燃料电池的重量优势。另外一个优势，重卡电池包体积和电量都很大，即使在双枪快充（250KW以上）的模式下，也需要数小时才能充满，对于重载运输，充电时间是个很大的问题。而燃料电池加氢时间，和传统柴油车差不多，十分钟左右可以完成。这是燃料电池的时间成本优势。
与纯电池技术相比，燃料电池具有以下优势：氢气加注时间和续航里程与内燃机相当（在一定输入功率下，燃料电池的续航能力是柴油或汽油发动机的2.3倍），没有沉重的额外电池负荷，性能表现受天气影响极小。除此之外，水是氢燃料电池系统的唯一副产物，对碳中和社会的构建有积极意义。氢能是一个理论上可以实现全产业链绿色的能源形式，所以目前国家对燃料电池车越来越重视，中石化、中石油等传统燃油巨头，以及各大重载运输车辆生产商，也是基于这个原因，大力推动燃料电池产业化。
质子交换膜燃料电池（PEMFC）受到欢迎
在燃料电池技术中，质子交换膜燃料电池 （PEMFC） 越来越受欢迎。它在效率和排放之间取得了良好的平衡：工作温度低、启动时间短，并且可使用纯氢作为燃料和普通环境空气作为氧化剂。
回到材料本身，大部分的燃料电池着重在氢燃料电池。于斌表示，帝斯曼区别于其他材料公司一个重要的特点是：在材料开发的过程中，帝斯曼的出发点是深入研究整个系统的机理、工况、运行模式，以及在制造和生产中的问题，并从这些深入的研究中，抽取出材料上需要做什么改进，以最大程度上保证系统的长期寿命和效率。概括性来说，燃料电池大部分在70～90摄氏度工况工作，100％湿度、弱酸性环境，对材料的长期水解，离子析出率有很高的要求。另外，对材料纯净度的定义并不是在空气中，而是考量在燃料电池工况中，材料是否会有其他物质析出；商用车、重卡，工作时长15，000小时起，对材料长期工况下的抗水解性、老化后疲劳性、耐蠕变性，材料的纯净度，是否会析出离子，什么样的离子，离子对催化剂、对气体扩散层、对质子交换膜有什么样的影响，帝斯曼都有全工况测试数据和计算模型，这些数据和模型可以帮助客户缩短产品开发周期，并且做到“一次就对”！
从可靠性角度，特别是在抗离子浸出、耐水解以及相应的长期机械性能方面，目前所使用的材料仍多有不足，而其中一种解决方法是开发专门的PPS化合物，以生产高效可靠的电池。帝斯曼专门针对燃料电池的特点，开发了全系列的材料，这些材料具有业内最低的离子析出率，最高的耐水解性和长期水解后的抗蠕变性，远远高于PPA、PA66等工程塑料。
最后，于斌指出，传统燃油车，电的使用方式是信号控制和传输；而电动车，电是驱动，是高压电，它不仅涉及动力问题，更涉及到安全问题。材料在工况下，老化机理、电热老化机理、机械性能、疲劳性能、在有离子的污染环境下耐电弧起痕能力，所有性能测试研究都要基于实际工况。我们研究所有的实际工况，分析材料在高温工况下，不同媒介下，电气老化、热老化性能的机理。我们去理解客户的应用要求到底是什么，转化为材料的语言，通过我们很多深入的研究数据，最后转化到我们的材料配方。“这些研究和材料上的突破，对于电动车领域理解的深度，帝斯曼在行业内是领先的。”