Nuovi materiali guidano la trasformazione dei veicoli a nuova energia

Quando si parla di veicoli a nuova energia, l’attenzione si concentra spesso sull’autonomia, sulla guida autonoma o sulla velocità di ricarica. Tuttavia, dietro questi salti prestazionali si nasconde una rivoluzione silenziosa ma profonda nei materiali. Dal cuore energetico della batteria alla struttura leggera della carrozzeria, i nuovi materiali chimici sono diventati i tre pilastri fondamentali che supportano le prestazioni, l’ottimizzazione dei costi e lo sviluppo ecologico dei veicoli a nuova energia.

Panoramica della catena di approvvigionamento

Il sistema dei materiali per i veicoli a nuova energia copre una catena di approvvigionamento estesa e precisa:

• A valle - Produzione di veicoli: dipende direttamente da materiali leggeri per migliorare l’efficienza energetica.
• A monte - Componenti e materiali: il nucleo risiede nel sistema "tre elettrici" — batteria, motore e controllo. Tra questi, la catena di approvvigionamento della batteria è la più complessa, dalla micro-cellula (catodo, anodo, separatore, elettrolita) al sistema di gestione intelligente della batteria (BMS), fino al pacco batteria integrato (Pack). Ogni fase dipende dall’innovazione dei materiali.
• Risorse minerarie: 23 risorse chiave come cromo, alluminio, litio, cobalto e nichel sono il punto di partenza materiale di tutto questo.

Si può dire che i materiali chiave sono come il sangue, che permea e nutre ogni fase della catena di approvvigionamento.

Materiali per le batterie di trazione

Le batterie di trazione sono uno dei componenti principali dei veicoli a nuova energia e includono principalmente batterie agli ioni di litio, batterie allo stato solido e celle a combustibile a idrogeno. Tra queste, le batterie al litio, grazie alla loro elevata densità energetica e alla lunga durata di ciclo, sono la scelta predominante. Nella loro struttura dei costi, i quattro materiali principali — catodo, anodo, elettrolita e separatore — rappresentano ciascuno circa un quarto, costituendo il campo di battaglia centrale per l’innovazione tecnologica.

Le principali tecnologie delle batterie al litio attualmente presenti sul mercato mostrano una configurazione diversificata:

1. Batterie agli ioni di litio NMC: il materiale del catodo è litio nichel cobalto manganese, dove il bilanciamento tra nichel, cobalto e manganese ottimizza densità energetica, stabilità e sicurezza. Un alto contenuto di nichel aumenta l’autonomia, il cobalto stabilizza la struttura e il manganese migliora la sicurezza. L’anodo utilizza principalmente grafite.
2. Batterie al litio ferro fosfato (LFP): il catodo è in litio ferro fosfato, con struttura stabile, elevata sicurezza e costi ridotti, mentre l’anodo è anch’esso in grafite.
3. Batterie al litio cobalto ossido (LCO): il catodo è in ossido di litio cobalto, con alta densità energetica, ma costi elevati e sicurezza relativamente inferiore. L’anodo utilizza principalmente carbonio amorfo o grafite.
4. Batterie al litio manganese ossido (LMO): il catodo è in litio manganese ossido, con costi bassi, buona sicurezza e compatibilità ambientale, ma densità energetica inferiore. L’anodo è principalmente in grafite.

Materiali per la leggerezza

La tecnologia dei materiali leggeri è un punto di svolta cruciale per l’innovazione nello sviluppo dei veicoli a nuova energia.

1. Applicazione di materiali a bassa densità

Percorso uno: ottimizzazione dei materiali tradizionali, come la riduzione del talco nel polipropilene, mantenendo le prestazioni e riducendo la densità.
Percorso due: sostituzione audace dei materiali. Ad esempio, l’uso di PP-LGF40 al posto del metallo per moduli anteriori non solo riduce significativamente il peso, ma migliora anche l’integrazione e la precisione, già applicato in diversi modelli di veicoli.

2. Tecnologia a pareti sottili

Riducendo lo spessore delle pareti dei componenti attraverso materiali con maggiore modulo di flessione e fluidità. Ad esempio, ridurre lo spessore del paraurti da 3,0 mm a 2,5 mm può diminuire il peso di circa il 16,7%.

3. Materiali microcellular

Formazione di una struttura microporosa durante lo stampaggio a iniezione, consentendo risparmio di materiale e riduzione del peso. Questa tecnologia è già applicata in cruscotti, pannelli delle portiere e altri componenti, con riduzioni di peso del 16%-40% in alcuni modelli.

4. Sostituzione dell’acciaio con materiali plastici

L’uso di plastiche tecniche ad alta resistenza al posto dei metalli è una direzione importante per la leggerezza. Tra i materiali principali:

• Nylon rinforzato con fibre di vetro corte: utilizzato per supporti specchietti retrovisori, supporti vani portaoggetti, ecc.
• Nylon rinforzato con fibre di vetro lunghe: utilizzato per traverse del cruscotto, telai dei sedili, con buone proprietà di resistenza agli urti e alla deformazione.
• Polipropilene rinforzato con fibre di vetro lunghe: applicato in moduli anteriori, moduli delle portiere, pannelli interni del portellone, migliorando l’integrazione riducendo il peso.
• Materiali PPE+PA: combinano resistenza al calore, stabilità dimensionale e fluidità di lavorazione, già utilizzati in paraurti in plastica e altri componenti, riducendo il peso del 40%-50% rispetto all’acciaio.

Lo sviluppo dei veicoli a nuova energia dipende dai continui progressi nella tecnologia dei materiali. L’innovazione nei materiali per le batterie di trazione è direttamente legata all’autonomia e alla sicurezza dei veicoli, mentre l’applicazione di materiali leggeri migliora significativamente l’efficienza energetica e l’esperienza di guida. In futuro, con l’ulteriore avanzamento della scienza dei materiali, i veicoli a nuova energia realizzeranno progressi ancora maggiori in termini di prestazioni, costi e sostenibilità.