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汽车用镁 绿色低碳新选择
2022-08-17 09:55:36   来源:中国有色金属报    点击:

    在“双碳”目标背景下,汽车行业减碳迫在眉睫,因此,带动了新能源汽车产业的蓬勃发展,汽车低碳化成为新的发展方向,如何科学、环保地实现汽车轻量化、减少碳排放成为重要议题。2022年,新能源汽车产销量继续保持高速增长,1—7月份,新能源汽车产销量分别为327.9万辆和319.4万辆,均同比增长1.2倍,市场占有率达到22.1%。面对如此庞大的新能源汽车市场,镁合金以其优良的轻金属特性越来越受到汽车制造商的重视。当前,在新能源汽车制造领域,涌现出一批新势力车企,如小鹏、比亚迪、蔚来等车企的部分车型中已经出现镁合金零部件的身影。而如何实现镁合金汽车零部件规模化应用,大幅提高镁合金的用量,镁业发展正面临新的机遇与挑战。
 

镁企积极推动镁合金在汽车领域的战略布局
见习记者 杨一鸣

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  与传统材料相比,镁合金汽车零部件具有质量轻、吸振、阻尼性能良好、铸造性能优异和易回收等诸多优点,成为汽车实现轻量化较为理想的材料,部分镁合金汽车零部件已实现量产,在比亚迪、蔚来等新能源车型中规模化应用。数据显示,到2030年,中国汽车单车镁合金用量将达到45kg,占整车比重4%。预计到2030年,中国汽车市场对镁合金压铸件需求量将达到131万吨,2020—2030年均复合增长率将达13.2%。
  镁合金汽车座椅支架相比于传统的冲压件,可减重50%以上;镁合金电池箱体、箱盖较铝制箱体可减少30%的重量,比铝合金箱体具备更好的散热和电磁屏蔽性能;镁合金转向轴套筒及支架在汽车发生碰撞时可溃缩吸能,进而保护驾驶员的人身安全;镁合金车载显示屏支架,具有优良的散热性。镁合金这些优良的性能,使之成为汽车轻量化金属材料应用中最有利的竞争者。

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  随着我国汽车保有量的不断增加,镁企业加快转型升级步伐、以科技力量促汽车领域低碳绿色发展刻不容缓,多家镁企聚焦“双碳”目标,多措并举推动镁合金在汽车领域应用,助力汽车低碳化、轻量化发展。
  云海金属集团抢抓汽车轻量化发展时机,在稳定镁合金基础材料供应的基础上,着力拓展下游深加工业务,不断扩大现有产品规模,加大镁合金深加工汽车部件的研发力度,满足汽车轻量化发展的需求。该公司将一体化压铸的研发作为轻量化的长期发展战略之一,与高校和汽车厂商合作研发,从设计端开始介入一体化压铸全产业链发展。目前,该公司拥有多台3000吨以上的压铸机,近期,又增加了两台6800吨的压铸机。该公司表示,镁合金汽车零部件的开发需要具备合理的成本,具备规模化、持续可靠的供应能力以及制造过程中完善的质量保障能力。据悉,该公司电动车用镁合金轮毂已批量供货,镁锻造轮毂还在研发和样品试制中。
  万丰镁瑞丁控股有限公司是全球汽车市场的镁合金压铸零部件优秀供应商,其压铸设备以高压压铸为主,拥有500吨~4500吨压铸机70余台。同时,该公司十分注重技术研发,设立了镁合金技术研发中心,掌握多项镁合金铸造领先技术。目前,由于镁合金连接技术和电偶腐蚀保护技术发展尚未成熟,镁合金压铸件在汽车领域的应用具有一定挑战。该公司开发了SPR自冲铆钉技术,可将镁合金压铸件与低碳钢、高级高强度刚和变形铝连接,该技术无需表面预处理,具有优异的静、动态力学性能,适用于减震塔、电池外壳、电机外壳、支柱支架和车载充电器。该公司表示,近几年,我国对环保要求越来越高,新能源车对于减重的要求越发迫切,镁合金在汽车上的应用将成为新的发展趋势,万丰镁瑞丁将其在北美市场多年积累的技术经验,加速应用到国内镁合金产业发展中。
  中汽研(天津)汽车工程研究院有限公司是中国汽车行业内具有丰富工程经验的综合性甲级设计单位。该公司认为,世界主流汽车厂的轻量化战略为大规模使用轻合金提供了契机,开发新型镁合金,其成型技术和耐腐蚀技术是支撑汽车用镁的关键技术,提高镁合金高比强度、延展性、单一蠕变性和混合抗蠕变性是镁合金未来的重点研究方向。该企业表示,未来,将以“产学研用”融合模式进行深度研究,逐步提升镁合金材料与零部件企业的技术能力,持续推动镁合金在汽车领域的广泛应用。
  河南德威科技股份有限公司是镁合金汽车轮毂成熟优质的供应商,今年3月,该公司与小鹏飞行汽车达成合作,为其提供镁合金汽车轮毂。该公司表示,目前,我国镁合金汽车轮毂的相关技术与国外差距较小,部分技术已具有国际领先水平。德威科技镁合金汽车轮毂各项指标优良,通过德国TUV质量管理体系认证,打开了国产镁合金汽车轮毂的欧洲市场。
  除了镁合金在汽车零部件中的应用,镁合金车身一体化压铸、高性能镁合金材料开发等课题也正在进行深入研究。另外,镁也可作为电动汽车电池的优质原料,相比锂电池,镁电池熔沸点较高,不易发生爆炸危险;镁在自然界分布广泛,是地球上储量丰富的轻金属元素之一,因此,镁电池成本比锂电池低得多。可见,镁在汽车领域的应用会有更多的可能性。
  镁在实现汽车轻量化中的用途多种多样,且镁在中国的储量极其丰富,无论是镁合金汽车零部件,还是镁电池,我国都有显著的资源优势,镁合金在汽车领域的应用前景十分广阔。在应用过程中,尚未实现的工艺技术难题,更需要镁业人士共同攻克,镁企应加大与高校和科研院所的合作力度,积极提供资金、技术和场所支持,加强与下游企业联系,为推动汽车产业轻量化发展贡献镁业力量。

重庆“镁合金方案”助力汽车业低碳发展
白麟

  在碳达峰、碳中和背景下,作为“碳排放大户”的汽车行业,如何优化产品结构,推动节能与新能源汽车研发,将行业高质量发展与降碳减排目标有机融合,实现汽车行业低碳发展成为研究热点。
  近日,在西洽会上,多位行业专家学者与业内人士围绕“中国(重庆)国际绿色低碳及循环发展高峰论坛暨碳中和驱动下汽车产业转型升级”开展热烈讨论。
  困境:
  电动汽车减排效果受制约
  中国工程院院士、重庆市科协主席潘复生表示,汽车行业需积极行动起来,着力推进降碳减排,否则,将对国家经济的可持续发展产生重大制约。
  据统计,中国以机动车为主的道路交通的碳排放,在全国整体碳排放中占比为7.5%~8.5%。如果将汽车制造环节一并算入,占比将超过10%。
  中国汽研环保技术开发室副主任余浩认为,随着国内汽车保有量不断增加,汽车领域的碳排放占比可能继续增大。
  “当然,‘双碳’目标为汽车行业带来了新的机遇。”余浩表示,目前,世界主要发达经济体都出台相关政策,多举措推动用能结构优化和汽车向低碳方向升级,而发展新能源汽车是其中的一条重要路径。
  长安新能源动力开发部副总经理杜长虹介绍,据统计,纯电动乘用车全生命周期碳排放可比传统燃油车降低40%左右,车辆的电动化是未来降碳减排的关键环节之一。
  潘复生则表示,目前,国内以煤炭为主的一次能源消费结构,使得电动汽车的能源消耗强度与传统燃油相比不占明显优势。此外,电动汽车的制造和回收,特别是在动力电池生产、报废等碳排放关键环节上,管理与技术尚不成熟,也在很大程度上制约了电动汽车的降碳减排效果。汽车行业低碳发展,需要通过跨行业、多维度的广泛合作,运用综合方案加以解决。
  思路:
  全生命周期解减排难题
  盖世汽车研究院行业高级分析师王健表示,汽车碳排放包含材料周期碳排放和燃料周期碳排放两个部分。其中,材料周期碳排放主要包含材料开采、生产加工、物流运输和回收等环节的碳排放,燃料周期碳排放包含燃料生产和燃料使用(汽车出行)的碳排放。就生产端而言,车企可通过引入可再生能源、绿色智能制造以及负碳技术等来打造零碳工厂,以快速降低生产碳足迹。
  他认为,国内应该构建以清洁电能为主体的能源补给网络,实现“源头零碳”。近期,应加大充换电站补能体系建设,逐步形成慢充、快充、超级快充和极速快换的电能补给网络;中期可加快导入可再生清洁能源,实现电能对化石能源的消费替代;远期利用V2G(车辆到电网)等技术实现削峰填谷,将车载分布式储能与各类场所形成能源联动网络,进一步降低能耗。
  电动化并非实现碳中和的唯一路径。王健介绍,对于汽车产业而言,碳中和的对象是碳排放,而并非内燃机,针对内燃机低碳、零碳等替代燃料的开发,也是推动汽车行业实现碳中和的很好选择。
  余浩认为,除了可以通过管理、技术路径推进汽车行业实现低碳发展外,政府层面还应用好金融政策和工具。
  “虽然汽车行业短期内纳入全国碳交易的可能性不大,但未来不排除其可能。”余浩指出,此外CCER(国家核证自愿减排量)作为碳交易的补充,汽车行业未来纳入的可能性较大。未来,地方碳交易和碳普惠政策也有望覆盖汽车产业。
  与会专家认为,汽车作为能源消费型行业,对产生的碳排放缺乏有效的碳抵消手段,车企或供应商应适时布局可再生能源项目(如光伏工厂)、碳汇等,形成长期有效的碳抵消机制。
  亮点:
  行业绿色发展的“重庆解决方案”
  潘复生表示,汽车行业绿色低碳发展,必须实现产品的轻量化与电池高密度化,并保障电池等关键材料的环保和安全生产。在这几个方面,重庆依托自身在镁合金领域的研究和产业应用优势,有望在未来发挥重要影响。
  潘复生介绍:“一辆重1.6吨的汽车若采用镁合金轻量化零部件,重量可降低10%以上,能源消费可降低1万~2万元。”他说,这意味着一个年产值几万亿元的汽车产业,每年可节约几千亿元的能耗。目前,他带领的团队已开发出方向盘骨架、显示屏支架、仪表盘支架等几十种汽车镁合金零部件,并在一些高端品牌汽车实现大规模应用。
  潘复生还表示,镁除了应用于汽车轻量化领域,也是电动汽车动力电池的优质原料。相比锂电池,镁电池熔沸点较高,并且不会出现镁枝晶,不易发生爆炸,因此,更加安全。此外,镁电池能量密度和锂电池相当,镁化合物无环境污染,镁成本只有锂的1/25。
  据介绍,重庆的镁合金专利数目前为世界第一,重庆大学主办的镁合金国际刊物影响因子也是全球同类期刊第一。目前,重庆大学国家镁合金材料工程技术研究中心已开展“车身一体化结构件压铸用高性能镁合金材料的研制”等重大技术应用项目。在“双碳”背景下,重庆将通过镁材料应用等优势技术和资源,为汽车行业绿色低碳发展提供重要支撑。

镁二次电池向大规模应用迈进

 

  本报讯  近日,笔者从中国科学院青岛生物能源与过程研究所(以下简称青岛能源所)获悉,该研究所固态能源系统技术中心围绕镁电池中的关键科学问题开展了大量研究工作,在镁二次电池关键科学问题和核心材料方面取得系列成果,该系列成果近期发表在国际权威期刊《德国应化》《先进材料》和《先进能源材料》上。
  极具潜力的镁二次电池
  镁二次电池并不是近些年才出现的概念。从以色列科学家多伦·奥尔巴赫(Doron Aurbach)在2000年首次提出镁二次电池模型至今,该电化学体系已发展20余年。青岛能源所固态能源系统技术中心研究员崔光磊说,镁二次电池是指以镁为负极的可循环电池,组成镁二次电池的核心是镁负极、电解液及能嵌入镁的正极材料。
  据介绍,镁具有极高的体积容量,是作为高体积能量密度电池负极的极佳选择。镁二次电池的工作原理与锂二次电池原理相同,但与锂二次电池相比更安全,其原因在于镁及多数镁化合物都是无毒或低毒的,且镁不如锂活泼,易于加工操作,同时也比锂安全;镁电池没有类似锂电池的枝晶生长问题;镁在地壳中的储量更高,其价格较锂更便宜。
  随着“双碳”目标的提出,新能源迎来跨越式发展。二次电池作为新能源领域被广泛应用的关键装备之一,其重要性受到各方的重视。
  崔光磊表示,尽管研究人员在储镁正极、导镁电解质、镁负极等关键材料方面已经取得了重要进展,但是镁二次电池还有诸多基础科学问题亟待克服,产业化应用也尚处于初期探索阶段。
  具体而言,镁二次电池的开发主要面临两大瓶颈问题。崔光磊表示,一是镁电解质作为电池体系中的“血液”,起到在正负极之间传输镁离子的重要作用,它在电池体系内部直接与正负极材料接触,因此,需要同时兼顾镁负极与高能储镁正极的特殊需求,这极大地限制了镁电解质组分的可选择范围,开发与正负极界面兼容性良好的新型镁电解质体系意义重大;二是因为二价镁离子不仅带有两个电荷,而且“个头小”,这既是镁离子能够在相同体积条件下存储更多电荷的奥秘,也造成了镁离子具有电荷密度大、极化作用强的特性,而强极化作用会导致镁离子在正极材料晶格内部受到较大库仑力作用的牵制,从而造成镁离子扩散速度缓慢,因此,镁二次电池常见的嵌入型正极材料结构普遍表现出较差的可逆脱嵌镁离子能力,开发新型高效储镁正极材料迫在眉睫。
  解决镁二次电池研发系列难题
  围绕上述镁电池待解的关键问题,在崔光磊的带领下,青岛能源所科研团队多年来开展了大量研究工作。
  针对镁电解质方面的问题,崔光磊研究团队通过大量的筛选测试和理论分析,确立了硼(铝)基镁盐的合成路线,开发出一系列高性能硼(铝)基镁电解质体系,其表现出优异的镁离子传输特性和镁负极兼容性。
  崔光磊表示,研究人员通过镁负极的界面优化工程进一步拓展了镁电解质组分的可选择范围,极大地提升了多种镁电解质体系与镁负极的界面兼容性。该研究团队还深入解析了镁负极界面处的微观电化学反应过程,实现了镁沉积/溶出行为的高效调控,为镁负极的高效、循环利用奠定了重要理论基础。
  “除了上述液态镁电解质体系,为了充分发挥镁电池的高安全特性,研究人员基于技术中心在固态锂电池方面多年的技术积累,还设计开发了多种单离子导体概念的聚合物基固态镁电解质体系,该体系表现出优异的室温镁离子传输性能和正负极界面兼容性。研究人员还成功制备了相应的固态镁二次电池器件,实现了镁电池的宽温区、长循环工作,为研发适应地下资源勘探、太空探索等极端工况的特种电源提供了充足的技术储备。”崔光磊说,针对储镁正极材料方面的问题,研究团队则重点关注具有高比容量特性的转化型正极。
  崔光磊认为,在众多在研的新兴电池技术中,镁二次电池凭借高体积能量密度、高安全性、高自然丰度以及低成本等诸多优势,成为“后锂离子电池”时期极具发展潜力的电池体系之一。
  目前,研究团队及合作伙伴已经在镁二次电池领域发表高影响力SCI论文30余篇,申请相关专利10余项,基本形成了具有完全自主知识产权的镁电池核心技术。在实际应用场景方面,该团队以中国科学院深海智能技术先导专项为牵引,已突破了镁二次电池制作工艺上的关键技术瓶颈,开发出能量密度560瓦时/千克的单体电池。基于该单体电池设计组装的镁硫电池系统,不仅顺利通过了深海高压环境的模拟打压测试,而且已经跟随中国科学院深海所科考船,在南海实现了深海环境下连续30小时的稳定工作,成功实现了镁二次电池的示范应用。目前,更大的应用示范项目也正在筹备中。
  崔光磊表示,尽管镁二次电池的大规模应用还处于初期探索阶段,但是其在提升二次电池的安全性、降低二次电池的成本、缓解二次电池的污染等方面都有巨大潜力,有望在多个应用场景中部分替代锂电池或铅酸电池。(科技)

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