化学咨询公司ChemBizR的聚合物材料专家分析了当前和未来复合材料在提高电动汽车的效率从而增强电动汽车对消费者的吸引力方面所能发挥的作用。 

为减轻气候变化带来的不利影响，一个关键的全球气候行动目标是由燃油汽车向电动汽车转变。在全球，源自汽车的温室气体排放量几乎占总排放量的1/3，因此，上述解决方案将对此带来一定程度的缓解。近年来，电动汽车的销量呈增长趋势，得到了来自世界各地消费者的明确回应。在全球，一些国家已制定了雄心勃勃的目标，将电动汽车纳入发展规划之中，这将使电动汽车的销量到2030年达到全球汽车总销量的32%。

然而，虽然电动汽车具有减排优势，但到目前为止，几大挑战性问题却限制了电动汽车的广泛应用。第一个也是最具普遍性的挑战是行驶里程受限以及消费者对当前电动汽车市场价格的关注。据Alix Partners 2019年的调查，67% 的消费者希望电动汽车的价格与汽油动力汽车的相当。

第二个重大挑战是有限的充电基础设施，因为大多数现有的充电站都集中在选定区域。据Alix survey的研究，57% 的消费者因无法充电而对电动汽车不感兴趣。与平均每天有超过100辆的汽车到加油站加油相比，每天到充电站充电的汽车大约只有10～20辆。充电速度也是一大问题，目前还不能与燃油车加油的速度相比。而牵引电池的安全问题和热失控风险也令人担忧。

解决这些挑战性问题需要花费时间，而复合材料正在一些研发进展中发挥作用，以确保通过轻量化来提升汽车的效率。在此介绍几类部件的开发进展，包括：汽车的动力传动系统、电池组件、电动机、逆变器和变频器。

重量与效率的相互作用

为提高汽车效率，通常考虑的首要策略之一是减轻整个系统的重量。汽车的轻量化最早可以追溯到1900年代，当时铝在汽车工业中取得了突破并在大多数汽车部件中替代了钢材，包括汽车的车身。但对于电动汽车而言，由于安全、技术和商业方面的因素，比如，大批量的生产、单个部件的降本，以及通过使用轻质材料来满足性能标准要求等，我们将看到，这种变化很多会发生在引擎盖下的部件上，特别是多个动力总成的部件上。此外，由美国铝业协会资助的一项研究表明，采用轻型结构部件（复合材料或铝）和小功率、低价电池的车辆与采用重的钢制部件和高功率、高价电池的车辆相比，行驶里程基本相似。

电池组件

最有吸引力的开发进展是电池组件，或者说电池壳，在此方面，复合材料的应用已非常普遍。传统的电动汽车电池重量超过400kg，其中，金属的电池壳就达100kg。为此，一些行业领先者正在使用复合材料来减轻这一电池组件的重量，如，德国的宝马汽车公司与西格里碳纤维（SGL Carbon）公司合作，将碳纤维复合材料用于其电池壳；英国的TRB Lightweight Structures公司（以下简称TRB）也通过改进结构设计来提供轻量化解决方案。TRB的一项最新进展将电池壳重量从80kg减至10kg，同时还增强了强度和阻燃性。

虽然钢和铝的制造商们也在推广他们的轻量化设计方案，但复合材料在满足阻燃要求以及通过推动快速充电来减少热失控风险方面却更具优势。成本一直是应用复合材料的一大瓶颈问题，然而，当前复合材料相关领域的供应商们（从树脂的生产直到结构的生产）正越来越多地融入到汽车供应链之中，这使我们开始看到成本显著降低的趋势。

电动机和电气元件

电动机占据了汽车重量的很大一部分，因此，可以通过选择合适的材料、设计以及对电气元件的集成来优化重量。目前，一些公司如德国Hofer公司和美国Hyliion 公司正专注于设计、开发电动车轴，其特点是使用最少的高压电缆来将电动机与变频器/逆变器结合起来。显然，这将减轻高压电缆的重量和逆变器/变频器的外壳重量，因为逆变器/变频器将被安装到电动车轴的外壳内。但是，包括缺乏投资以及整个价值链的合作等在内的挑战性问题，却导致电动车轴技术可能无法满足OEMs对功率和成本的要求。

此外，德国的弗劳恩霍夫化学技术研究所（简称ICT）和卡尔斯鲁厄理工学院（简称KIT）正在合作开发采用热固性聚合物的混合的金属基复合材料，以提供更高的热力学稳定性，满足电动机外壳的刚度要求。这是因为，在较高温度下的尺寸稳定性问题以及电动机的冷却问题是商业化面临的一大挑战，而塑料无法提供足够的热导率和均匀的热分布。重新设计冷却通道虽然可以改善电动机的热管理，但开发、测试和商业化大约需要5～8年的时间。

特斯拉和其他一些公司也在开发适用于电动机的转子外壳、定子等部件的复合材料，表示要使性能达到新的水平，同时展示这类应用的商业化潜力。

如前所述，消费者对快速充电的最大担忧之一是热失控风险。为此，一些汽车制造商正在采用为解决热失控问题而设计的系统来设计其电池包。工程师们正在研究3个级别的防护：单个电池之间的防护、电池模组之间的防护以及电池包级别的防护。添加这些防护措施，会增加重量、减少续航里程以及占用有限的空间。值得一提的是，涂料供应商的一项研发进展为此提供了创新的解决方案，他们开发的技术能够在电池和电池模组的层级上阻止或延缓火焰的蔓延，以防止热失控事故的发生。不错，这些用在复合材料上的饰面防火涂料有助于防火、减重以及节省空间，但问题是，全球监管尚未到位，这取决于OEMs和他们的内部风险评估程序来确定热失控发生的可能性有多大。

内部和外部结构组件

为实现减重，对内部和外部结构组件的整合（减少组件数量和改变设计）至关重要，对此，复合材料将发挥重要作用。虽然大量使用复合材料可能会受到限制，或者因较高的材料成本和部件制造的复杂性等挑战性问题而推迟对复合材料的应用。此外，在OEMs设定的目标成本、部件尺寸/定位、可扩展性和生产工艺之间还存在不匹配，因此，目前复合材料正在努力达到许多部件理想的成本和性能标准要求。复合材料面临的一些新的应用机遇包括A、B、C 柱，车顶和车身底板，车门和侧边框架等。

展望未来

从消费者的角度来看，目前对电动汽车的需求不太可能超过传统的汽油车。事实上，电动汽车的使用率取决于政府的激励措施、举措和投资。此外，由于单位成本高和规模经济效益问题，预计复合材料在结构部件上的应用将主要针对的是高档车。然而，复合材料却有机会用于诸如电池壳和电动机的一些子部件等部件上，未来3～5年，可以期待复合材料渗透到更多的应用领域。对于较大的结构部件，在行业开始集中精力替换高强钢和铝之前，复合材料可能需要等待10年或更长的时间。此外，可以预期，未来将出现更多的复合材料部件供应商、更多的合作以及更多具有规模经济效益的复合材料部件。