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浅析左右汽车未来发展的4大新材料

MED 2020-12-08 18:14:43

产学研结合所代表的意思不难理解,就是让实验室的成果赋能产业、实现商业化、最终“飞入寻常百姓家”,但其中难度犹如倒悬之危。最大化发挥产学研结合,自然是汽车科技、技术的重大突破,但每项颠覆性的新技术的瓶颈,最终都直指材料这项基础科学,这让我们在聊汽车新四化之时,又多了一个关键的细分领域。


[·一波热点事件引发的材料思考·]


今年突如其来的疫情改变了很多,一波蹭热度、擦边球式的营销应运而来,N95汽车这个概念成为了2月下旬的焦点。当时我们的直播与详解文章,就对这个问题进行了辟谣:过滤PM2.5(2.5微米=2500纳米)效果上佳的空调滤芯,距离有效防护百纳米级别(80-120纳米)的新冠病毒相距甚远。


这就涉及到了空调滤芯本身的材料问题,满足汽车空调通风与过滤效率相平衡的滤芯,其过滤介质、各类涂层都无法做到有效防护体积更小的病毒,这是一个明显的“超纲题”。能够达到高效空气过滤HEPA标准的纳米级材料才是解题关键,这也是活性炭、负离子、更高过滤级别等手段无法逾越的“天堑”。


浅析左右汽车未来发展的4大新材料


真正做到了防护病毒的负压救护车,也只是曲线救国,最终是通过主动改变空气流通方向的物理方法实现的。就是N95汽车的这场“闹剧”,让我们接触到了材料基础科学,并在此后的深入学习研究发现,这才是卡住汽车未来发展“脖子”的症结。


[·现阶段偷换概念的石墨烯电池·]


汽车新四化以电动化为首,三电技术又以动力电池为基,我们由此聊起。这方面车企、电池企业都在花费巨大投入进行研究,我们在6月份的《动力电池大时代》系列策划中有过专门的解读,其中石墨烯负极材料最被行业看好,包括2017年日内瓦车展惊鸿一瞥的正道汽车,以及广汽集团今年成立的巨湾技研等,都在推进石墨烯电池的研发与制备。


关于石墨烯电池,其终极目标是作为替代现有石墨的负极材料,其比能量(相同体积储能量)是现有主流锂电池的3倍以上,充电时间最多能缩短到现阶段的1/5,还有着体积小、重量轻、寿命长、热稳定性好等诸多优势。


而如以上所说,那些都是终极目标,现阶段的所谓石墨烯电池,并非是进入到电芯内部的负极材料,而是以一种“外挂”在电池之外的形式出现。最典型的例子,就是我们此前多次提及的华为瓦特实验室石墨烯电池以及小米10系列手机,两者都是使用微量石墨烯涂层,发挥了导热性能好的特性,用以释放电池更快的充电速度。


浅析左右汽车未来发展的4大新材料


摆在石墨烯材料商业化应用面前的难题,大批量、自动化的制备技术是其一,成本也是一大关键。有着“黑色黄金”之称的石墨烯,可以用作电池负极导电的精加工物料,虽然没有了前几年5000元/克的“盛景”,大规模的买入价格也在300元/克左右。


[·难以确保电池安全的隔膜·]


动力电池的四大核心组成部分(正极、负极、隔膜、电解液)中,除了上文提到的石墨烯,隔膜的材料也是目前的一大瓶颈。此前电池安全研究领域的专家、中国工程院欧阳明高院士的研究报告,就以“从材料、电池、系统多维度解决热失控”为题。


报告显示:在引发电池热失控(自燃)的诸多因素中,高温或其他因素引起的隔膜失效,是导致正负极发生短路的一大难题。在研究出问题出处的同时,欧阳明高院士也给出了相关解决方案,即可以通过采用陶瓷涂层隔膜,减少隔膜在高温下的收缩,减少内短路的风险。


单看陶瓷涂层,这本不是一个改造原有材料的新事物,问世至今已经30多年了,如市面上带有陶瓷涂层的不粘锅,这种方式虽然也是利用了其耐火性以及高温稳定性强的特性,但都是以金属为基础的。


浅析左右汽车未来发展的4大新材料


而电池的隔膜是非金属、厚度极薄,想要在本身就是复合材质的隔膜上,再次加入陶瓷涂层,保证材料之间的复合效果、厚度、强度等等,都是现阶段动力电池“产学研”,只到研究阶段、未能更进一步所要攻克的难题。


[·指日可待的碳化硅芯片·]


三电系统电池之外,还有电机这个基础硬件,这也是纯电动车与传统燃油车驱动系统最大差异之处,即高压电路。如中学物理课学过的法拉第电磁感应定律,电生磁、磁生电,车辆高压电动中的电动机就是充放电的媒介,放电对应驱动电机、充电则是由充电机完成。


而控制充放电的核心部件现阶段为功率半导体(IGBT芯片),其工作状态与车辆急加速、快充效率等直接相关。IGBT芯片处于最佳状态之时,一款电动车0-100km/h加速超出官方数据,一点都不出乎意料,但它大部分时间很难保持状态,往往连续加速之后,动力性能就会有所衰减,甚至是大打折扣。


现阶段量产电动车中,能够做到持续保持动力性能的只有保时捷Taycan,不过顶配Tubro S版本0-200km/h连续10次加速都能在10秒以内的结果,更多的还是源于这款车热管理系统的先天优势。


想要解决热稳定性的问题,那么就涉及到了根本的材料了,功率半导体的替代者碳化硅(SiC)随之而来。碳化硅作为高压电路的功率器件、控制芯片,耐高温、损耗率较低、频率高,从而保证传导效率,避免出现与日常电子产品一样因高温而出现降频的情况。


只是现阶段的碳化硅芯片在电动车与充电桩的功效,尚未达到其最理想的状态,问题一方面源于芯片方面“卡脖子”的封装技术,以及高运行温度和高电场强度的车规级标准;另一方面则是目前常用全碳化硅功率模块还是碳化硅MOSFET和碳化硅二极管的组合,与驱动控制模块的结合或者说集成度尚未达到效果。


好在是碳化硅MOSFET半导体在特斯拉Model 3以及比亚迪汉EV上已开始了初步应用,车辆本身是一方面,大功率的直流快充电桩,也是其发挥作用的一个重要场景。这方面,德国的英飞凌、美国的GE、日本的罗姆等海外企业具备先发优势,而我国的比亚迪、中车时代乃至华为,也都在此投入了大量资金布局,这项材料不受制于人、最终“飞入寻常百姓家”的车辆上指日可待。


[·半导体下一个时代的光电芯片·]


既然提到了控制高压电路的碳化硅芯片,不得不说今年备受关注的传统芯片(半导体)。除了燃油车控制发动机的ECO以及ESP等,芯片更多的应用在了消费电子产品中,前者是智能化的重中之重,对于车规级所必备的稳定性考量更多,后者对于芯片封装工艺的需求更甚。


或许短时间内,汽车的芯片都将沿着消费电子产品走出的路径前行,但未来两大领域都面临着一个难题突破的瓶颈,即摩尔定律的失效。在去年9月份的NVIDIA GTC大会上,NVIDIA公司创始人兼CEO黄仁勋,一上来就给出了结论:“摩尔定律已经终结,设计人员无法再创造出以实现更高指令级并行性的CPU架构,晶体管数每年增长50%,但性能每年仅增长10%”。


从笔者此前了解的多位行业专家观点来看:未来的智能汽车,凭借比手机等电子产品用电储备更大的先天优势,将释放更多的算力,手机等是移动互联网的先行者,但智能汽车才是集大成者。


面对这样的大趋势,传统半导体如今大家已经用上了5nm芯片的手机,那么3nm、1nm之后呢?答案是光电芯片,无法再靠晶体管堆叠的方式来提升计算性能的重要替代方案之一。


光电芯片算是对传统半导体材料的一次颠覆。以超微透镜取代晶体管,以光信号代替电信号进行运算,达到预期目标状态下,光电芯片运算频率将达到传统半导体芯片至少百倍,光电较为初级的应用光纤光缆,其实已经提供了理论基础。


关于光电芯片,英国牛津大学等海外名校的研究处于领先地位,而我国的高校也在此有相当大的投入,最让人欣喜的是国内已有企业开始了技术与制造方面的研究,我们此前接触过的鲲游光电,在今年4月份完成了B轮融资。智能汽车的未来重点看芯片,而我国这个最大的芯片消费国,未来可期。


[·写在最后·]


正所谓“罗马不是一天建成的”,现阶段我们身边很多支撑技术、功能性产品的材料,曾经也是难以逾越的天堑,而着眼于未来,汽车的下一个十年必然是新四化的时代,无论是电动化还是智能化,根源问题都直指新材料。


来源:搜狐汽车.E电园

注:文章内的所有配图皆为网络转载图片,侵权即删!

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