電池驅動汽車所需的材料為化學家和化學工業帶來了新的挑戰。

内燃機現在還沒有死，但它可能已經開始死亡了。2021年11月在英國格拉斯哥舉行的Cop26氣候大會上采取的為數不多的大膽步驟之一是宣布到2040年在所有市場逐步淘汰汽油和柴油汽車的銷售，并在2035年之前逐步淘汰主要市場的銷售：許多歐洲國家已經設定了更早的日期，英國選擇的是2030年。即使這個時間表對許多人來說似乎令人沮喪地緩慢，但它可能是汽車行業能夠支持的最早的時間表，因為它的交貨時間通常很長。

電動汽車的化學性質

這種從汽油和柴油以及更普遍的石油和天然氣向電力的轉變，不僅受到監管的推動，甚至僅僅是由氣候緊急情況推動的。2021年11月的Cop26夾在2021年9月的英國汽油危機和俄羅斯與烏克蘭之間的災難性沖突之間。汽油危機可能是短暫的，相對微不足道的，但去年秋天在英國，很少有人會輕易忘記在加油站關閉後加油的困難之處，或者需要排隊幾個小時來加滿油箱。俄羅斯與烏克蘭之間的沖突帶來的變化并不是直接的，但要嚴重和廣泛得多，歐洲對俄羅斯石油和天然氣的依賴尤其成為一個安全和環境問題。此外，俄羅斯并不是唯一一個坐擁世界剩餘化石燃料儲備令人不快的政權，還有沙特阿拉伯和卡塔爾政府，幾乎沒有比這更讓人頭疼的了。

對于許多人來說，汽車或貨車是滿足其運輸需求的唯一可行解決方案。

這些全球趨勢已經加速了人們從汽油轉向的興趣。今年在歐洲銷售的所有汽車中，約有12-15%可能是電動汽車。Connected Places Catapult是英國九個創新中心之一，與企業合作，在廣泛的領域進行後期研發。它對城市，交通和地方的關注将其與2019年通過的挑戰聯系起來，即到2050年實現溫室氣體淨零排放。它正在大力投資項目，以減少英國運輸造成的總排放量的27%，重點是低排放和零排放的汽車。

“顯然，在促進行為改變方面，讓人們更容易選擇步行，騎自行車或乘坐公共交通工具，以及創新的”移動即服務“解決方案，例如現在廣泛使用的電動滑闆車，”Connected Places Catapult的高級技術專家Alan Nettleton說。“但對于許多人來說，汽車或貨車是滿足他們運輸需求的唯一可行解決方案。因此，我們必須确保私家車盡可能清潔，這意味着需要使用電池電動汽車”。

無論未來的汽車是自主的還是手動駕駛的，無論它們是個人擁有的還是共享的，它們幾乎不可避免地都是電動的。雖然很明顯，全電動汽車不消耗碳氫化合物燃料，但它們的制造需要比傳統車輛采用更多的精細化學品，塑料和聚合物。

電池電動汽車（通常稱為BEV，Battery electric vehicles）具有強大的電動牽引電機來取代内燃機，并且沒有燃油泵，燃油管路或者燃油箱。因此，它沒有排氣管或尾氣管，因此沒有“尾氣排放”（用于評估其他車輛類型的排放或其他方面的關鍵統計數據）。這與各種形式的混合動力電動汽車形成鮮明對比，後者雖然含有電池，但仍具有汽油或柴油發動機。由衆多锂離子電池組成的大型電池組位于汽車地闆下，驅動電機，電機的動力通過電動變速器傳輸到車輪。冷卻液系統包圍着車輛的電氣和電子部件，以對其進行絕緣并保持安全的工作溫度。

車輛電池必須冷卻，電絕緣并防止碰撞

電動汽車隻有在其結構中使用的材料具有一組特定的性能（無論是單獨使用還是組合使用）時才能安全有效地運行。汽車的部件承受極高的電壓、溫度和應力，因此某些部件必須完全電氣隔離，并且車輛還必須能夠抵抗此類應力。必須保護電池免受碰撞損壞以防止火災，并且整個車輛必須由低密度的材料制成，以減輕車輛的總重量。這個問題限制了最早型号的采用。材料還必須盡可能耐用和便宜。“到目前為止，BEV隻滲透到高端市場，”Nettleton說。“制造成本必須下降，但在車輛的價格普遍降低到二手車的價格之前，不太可能實現普遍采用”。

最後，即使是像顔色這樣看似平凡的東西也可能是一個問題：用于指示常見危害的顔料，如高壓電纜，必須是穩定的。因此，一些世界頂級化工公司迅速進入這一領域也就不足為奇了。

含氟聚合物是電絕緣塗層的理想材料

當今汽車中的锂離子電池比我們手持電子設備中無處不在的相同類型的電池更具沖擊力。“電池在電動汽車底闆上的包裝以及電池之間的隔闆，不僅在正常使用期間，而且在碰撞後可能發生的災難性故障期間，都必須提供完整的絕緣和保護，”倫敦大學學院化學工程教授，由法拉第研究所資助的六所英國大學和工業合作夥伴的合作組成的SafeBatt聯盟的成員Paul Shearing說。

此外，趨勢是電機和傳動系統部件的功率密度更高。這要求電機具有改進的繞組線性能，具有相同功率的更小電機，并通過設計簡單和使用更少的材料來實現更高的扭矩和速度，從而降低成本。目前的标準電線塗層很容易因熱、高壓和電機頻率而降解，并失去其絕緣和電氣性能。新型含氟聚合物被視為下一代材料，具有适合滿足這些應用的理想性能。

日本跨國化學品公司大金工業公司最初專門從事空調的研究，這意味着由于其在氟碳化學方面的專業知識，它處于進入這個市場的有利地位。“由于碳氟鍵的獨特性質，含氟聚合物是電機繞組應用電絕緣塗層的理想材料，”位于德國多特蒙德的大金化學歐洲創新中心應用開發副總裁Peter Hupfield說。“這是化學中最強的共價鍵之一，因為它的極性，氟原子周圍的電子密度很高，所以很難斷裂。這些化合物非常穩定，因此具有獨特的電氣、機械、化學和耐熱性能，非常适合要求苛刻的應用，如開發更高性能的線材等”。

總部位于德國的化工巨頭巴斯夫既是汽車行業的專家，也是可持續發展的先驅：例如，2008年，它是世界上第一家記錄和公布自己的二氧化碳排放量的大型制造公司。這家公司的化學材料非常适合電動汽車的應用，巴斯夫的化學産品用于電動汽車的車身，也用作冷卻劑、防腐塗料，也許令人驚訝的是，還用于特種着色劑。

電動汽車電池的冷卻劑具有防止潛在放電的額外需求

所有汽車都需要冷卻劑來防止其發動機過熱并可能引發火災，但電動汽車中的冷卻劑尤其重要，因為所涉及的溫度和電壓較高。汽車工業中使用的典型冷卻劑主要由水和乙二醇的混合物組成。兩種液體都是需要的，因為它們具有特殊的物理特性：水，因為它的高熱容量和導熱性允許整個車輛中的電池快速散熱，而乙二醇由于其低熔點，這對于車輛在寒冷氣候下使用至關重要。水和乙二醇的1：1混合物在溫度達到-37°C之前不會凍結。 冷卻劑的其他成分（略高于痕量水平）是有機或無機腐蝕抑制劑，用于保護冷卻液回路的金屬部件（鋁、銅、鋼或其他合金）免受損壞。

巴斯夫正在開發一代更安全的新型冷卻液，其導電性較低，可防止觸電和火災。巴斯夫德國汽車油技術營銷高級經理Itamar Malkowsky表示：“我們的新型Glysantin電氣化冷卻液不會與電池的高壓組件發生反應，即使電池在事故中損壞并且冷卻液直接接觸。“我們通過使用具有較低極性的乙二醇衍生物和非離子腐蝕抑制劑或具有低離子解離傾向的離子腐蝕抑制劑來實現這一目标。

自20世紀40年代以來，當RAL顔色圖表系統完成時，可以使用字母RAL和四位數字代碼指定40種标準化顔色中的任何一種。“幾年前，德國汽車行業的一個工作組找到我們，要求我們采用明亮且公認的警告顔色來表征電動汽車的高壓部件，”巴斯夫高性能材料研發高級副總裁Josef Wünsch說。“他們要求RAL2003，一種易于識别的橙色調[在顔色列表中被描述為柔和的橙色];我們面臨的挑戰是生産一種在車輛的整個使用壽命期間保持穩定的配方。由簡單的紅色和黃色顔料混合物制成的橙色色調可以迅速褪色為褐色，但巴斯夫的研究人員已經能夠生産出完全符合規格并經得起時間考驗的無機顔料和有機染料的混合物。

可耐福工業公司于1932年在德國成立，目前在整個歐洲開展業務，是另一家在電動汽車制造中發揮作用的化學品公司。20 多年來，可耐福工業公司的輕質耐用的發泡聚丙烯和發泡聚苯乙烯泡沫塑料已用于制造模制汽車部件。然而，這些材料還具有物理特性，使其成為電池組中電池隔膜的理想選擇。它們是出色的熱絕緣體和電絕緣體，即使汽車卷入碰撞，也能大大降低電池部件之間或外部的熱量逸出或産生大電流的風險。

沒有尾氣排放的汽車在其使用壽命期間可以假設其排放為淨零，至少如果它們由可再生能源提供動力（可再生能源不受制造商或駕駛員的控制）。然而，隻有當它們的制造和處置沒有産生排放，并且它們的組件被回收利用時，它們才能被認為是完全淨零的。至少，事實證明，這些電池的使用壽命比行業專家最初預期的要長得多。“典型的锂離子電池将通過長達1000次充電循環保持”足夠高效“，”Shear說。“兩次充電之間的典型續航裡程約為250英裡，結果是25萬英裡......很少有傳統汽車能達到這樣的裡程，所以電池可能比汽車持續更長的壽命時間。事實上，電池在原始容量的80%左右時已經“退役”，而它仍然有許多潛在的用途，隻是不能在電動汽車中應用。最終取代锂離子電池的電池應該更加高效和更加持久。

電池的使用壽命為1000次充電循環，電池的使用壽命可能比汽車本身要更長

大型商用汽車對汽車制造商來說是一個特殊的挑戰，因為他們強大的電池需要更多的資源來保持充電。一輛典型的卡車需要一個500kWh的電池，大約是驅動一輛中型私家車的容量的八倍。“為了有效地交付貨物，電動卡車中的電池必須能夠在不充電的情況下運行，隻要他們的司機在休息時間之前合法地駕駛，即4.5小時，”Nettleton說。“它們還必須快速充電，這給充電站帶來了進一步的壓力。然而，目前正在考慮氣候友好型公路貨運的替代解決方案。西門子的eHighway正在德國幾段高速公路上進行試驗，通過類似于火車使用的架空受電弓為卡車提供電力。

汽車和卡車将成為我們未來幾十年生活的一部分。如果我們要及時（及以後）應對真正淨零排放的挑戰，以避免最嚴重的氣候崩潰，如果我們要擺脫從不穩定或專制政權進口化石燃料的束縛，下一代電動汽車必須更具可持續性，“從搖籃到墳墓”，盡可能多的部件易于回收。也許最重要的是，它們必須為普通駕駛者提供更實惠的價格。向前邁出的重要一步将是用一種或多種電池類型取代锂離子電池技術，這些類型的電池使用廉價，可回收和随時可用的材料。滿足這些和其他材料用于未來電動汽車的技術要求，勢必會為化學家提供更多的機會。

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