Interpretació integral de compostos avançats per a vehicles elèctrics i indústria de l'automoció
Els materials compostos es refereixen a materials compostos per dos o més materials diferents. Normalment, els metalls, la ceràmica o els materials polímers es poden utilitzar com a materials de matriu principal. En comparació amb els materials tradicionals, la majoria de materials compostos estan dissenyats amb un enfocament en una alta resistència específica, un pes inferior i una resistència a la corrosió relativament alta. Una major resistència, una major resistència a la fatiga, millors propietats físiques, un pes més lleuger i un millor acabat superficial són els principals avantatges dels materials compostos.
A la indústria de l'automoció, els materials compostos són més lleugers que els metalls més utilitzats. Els compostos basats en fibra de carboni són els compostos de polímer de més alt rendiment utilitzats en cotxes, aeroespacial, defensa militar i equips esportius. En els cotxes tradicionals, el metall constitueix l'estructura central, mentre que algunes parts internes estan fetes de materials compostos. En els últims anys, els compostos de fibra de carboni s'han considerat com el material més adequat per reduir el pes dels vehicles, tot i que pot diferir dels metalls tradicionals i és car.
En comparació amb els aliatges d'alumini, els materials compostos poden veure més millores en les propietats mecàniques, la microestructura i la morfologia superficial. En general, l'aplicació de materials compostos a la indústria de l'automòbil es classifica com a materials especials. En els vehicles elèctrics, l'acer i la ferro colada representen aproximadament la meitat dels materials en pes; Els aliatges d'alumini representen al voltant del 9% del total, els plàstics representen l'11% i el cautxú el 3%. Avui dia, les indústries es centren en l'ús de recursos renovables i utilitzen més materials reciclables, respectuosos amb el medi ambient i menys perillosos amb impacte global.
La reducció d'emissions i el consum de combustible són els grans reptes als quals s'enfronta la indústria de l'automoció. A causa de la producció d'energia que es basa en combustibles fòssils basats en carboni, una gran quantitat de gasos d'efecte hivernacle s'emeten al medi ambient. Amb l'augment continu del consum mundial d'electricitat, hi ha hagut un augment de la demanda d'energia durant les últimes dècades. A causa de l'alt cost del combustible, i també tenint en compte la degradació ambiental, els consumidors estan motivats a triar vehicles elèctrics. La demanda i la motivació per utilitzar vehicles elèctrics han augmentat a molts països del món. Els vehicles elèctrics són alternatives als vehicles dièsel, gasolina i altres vehicles de combustibles fòssils perquè utilitzen bateries d'ions de liti, que ofereixen la comoditat de la càrrega mixta i tenen un pes més lleuger, ja que la majoria dels components estan fets de materials compostos per millorar l'eficiència del combustible del vehicle. A més, és possible que no requereixin la majoria dels components necessaris per als vehicles tradicionals conduïts per combustibles fòssils. Algunes empreses de transport públic s'estan centrant a substituir les seves flotes de motors de combustió interna per vehicles elèctrics.
Per abordar els problemes d'eficiència energètica, els investigadors suggereixen utilitzar materials lleugers per substituir peces d'automòbils, que poden reduir el pes del vehicle alhora que milloren l'economia de combustible. Per cada 10 quilos de reducció de pes del vehicle, les emissions de carboni disminuiran 1 gram per quilòmetre, reduint així el consum de combustible. La solució lleugera s'està convertint gradualment en un mètode important perquè ha demostrat ser eficaç per reduir la demanda de combustible i les emissions.
La lleugeresa de l'automòbil se centra a reduir la massa del vehicle mitjançant materials alternatius i redissenyar components, mantenint la mida del vehicle i garantint encara més les necessitats dels consumidors. En el disseny de vehicles amb motor de combustió interna, els investigadors han emprat diverses tecnologies per estudiar els avantatges dels materials lleugers en comparació amb els tradicionals. El resultat de la integració de vehicles elèctrics i disseny lleuger és una reducció de l'impacte ambiental del vehicle. A més, l'ús de materials lleugers en vehicles elèctrics és previsible, ja que pot millorar el rendiment reduint la massa, com ara el control de l'autonomia i la mida de la bateria (com es mostra a la figura següent).
Composició dels components estructurals del vehicle elèctric
Els materials compostos es consideren materials candidats potencials per a la fabricació de components lleugers, i s'han fet esforços per reduir el pes del vehicle alhora que es desenvolupen mètodes rendibles per produir materials lleugers com els plàstics reforçats amb fibra de carboni (CFRP). En comparació amb els materials tradicionals, CFRP té una gran resistència, baix pes, bona resistència a les vibracions, alta rigidesa i major resistència a la fatiga i la corrosió.
En els darrers anys, tot i que la tecnologia de materials compostos d'automoció ha rebut una atenció i investigació generalitzades, l'ocupació a la indústria de l'automoció encara es queda per darrere de la indústria aeroespacial. Per tant, calen més desenvolupaments i avenços per satisfer la demanda creixent de vehicles elèctrics. El següent gràfic mostra la classificació dels diferents tipus de vehicles. Combinant les estadístiques actuals de les indústries del vehicle elèctric i de l'automoció, el valor estimat del mercat internacional de vehicles elèctrics de passatgers el 2020 va ser d'aproximadament 120.810 milions de dòlars, amb una taxa de creixement anual composta prevista d'uns 32,5% del 2021 al 2028.
Diferents categories de vehicles
El 2020, les vendes mundials d'automòbils van ser d'aproximadament 3 milions d'unitats, la qual cosa va suposar un augment de gairebé el 40% respecte al 2019. El mateix any, els vehicles elèctrics a la Xina van representar al voltant del 30% de les vendes mundials. Des del 2021, els Estats Units ofereixen més de 15 models diferents de vehicles elèctrics amb bateria (BEV). En comparació amb els vehicles elèctrics híbrids endollables (PHEV), s'espera que els BEV tinguin un creixement més elevat a causa dels seus problemes d'autonomia.
En el nínxol de vehicles elèctrics amb bateria, la versió millorada del Tesla Model S va ser la més comuna, amb el proveïdor que va aconseguir més del 70% de les vendes en el domini del vehicle elèctric amb bateria el 2020. La taxa de creixement anual composta més alta de la indústria PHEV podria superar el 32% dins del període de previsió. Aquests avenços es poden atribuir a les recomanacions formulades pels governs de les economies industrialitzades i en desenvolupament per promoure l'ús de vehicles elèctrics.