Sähköajoneuvojen ja autoteollisuuden kehittyneiden komposiittien kattava tulkinta
Komposiittimateriaalit tarkoittavat materiaaleja, jotka koostuvat kahdesta tai useammasta eri materiaalista. Tyypillisesti päämatriisimateriaaleina voidaan käyttää metalleja, keramiikkaa tai polymeerimateriaaleja. Perinteisiin materiaaleihin verrattuna useimmat komposiittimateriaalit on suunniteltu keskittyen korkeaan ominaislujuuteen, pienempään painoon ja suhteellisen korkeaan korroosionkestävyyteen. Korkeampi lujuus, suurempi väsymislujuus, paremmat fysikaaliset ominaisuudet, kevyempi paino ja parempi pintakäsittely ovat komposiittimateriaalien tärkeimmät edut.
Autoteollisuudessa komposiittimateriaalit ovat kevyempiä kuin yleisimmin käytetyt metallit. Hiilikuitupohjaiset komposiitit ovat tehokkaimpia polymeerikomposiitteja, joita käytetään autoissa, ilmailussa, sotilaspuolustuksessa ja urheiluvälineissä. Perinteisissä autoissa metalli muodostaa keskeisen rakenteen, kun taas osa sisäosista on valmistettu komposiittimateriaaleista. Viime vuosina hiilikuitukomposiitteja on pidetty sopivimpana materiaalina ajoneuvon painon alentamiseksi, vaikka se saattaakin poiketa perinteisistä metalleista ja olla kallista.
Alumiiniseoksiin verrattuna komposiittimateriaalit voivat nähdä enemmän parannuksia mekaanisissa ominaisuuksissa, mikrorakenteessa ja pinnan morfologiassa. Yleensä komposiittimateriaalien käyttö autoteollisuudessa luokitellaan erikoismateriaaleiksi. Sähköajoneuvoissa teräksen ja valuraudan osuus on noin puolet materiaalien painosta; alumiiniseokset muodostavat noin 9 % kokonaismäärästä, muovit 11 % ja kumi 3 %. Nykyään teollisuus keskittyy uusiutuvien luonnonvarojen käyttöön ja kierrätettävien, ympäristöystävällisten ja vähemmän vaarallisten materiaalien hyödyntämiseen maailmanlaajuisesti.
Päästöjen ja polttoaineen kulutuksen vähentäminen ovat suuria haasteita autoteollisuudelle. Hiilipohjaisiin fossiilisiin polttoaineisiin perustuvan energiantuotannon ansiosta ympäristöön pääsee suuria määriä kasvihuonekaasuja. Maailmanlaajuisen sähkönkulutuksen jatkuvan kasvun myötä energian kysyntä on kasvanut viime vuosikymmeninä. Korkean polttoaineen hinnan ja myös ympäristön pilaantumisen vuoksi kuluttajat ovat motivoituneita valitsemaan sähköautot. Sähköautojen kysyntä ja motivaatio ovat lisääntyneet monissa maissa ympäri maailmaa. Sähköajoneuvot ovat vaihtoehtoja diesel-, bensiini- ja muille fossiilisia polttoaineita käyttäville ajoneuvoille, koska niissä käytetään litiumioniakkuja, jotka tarjoavat sekalatauksen mukavuutta ja ovat kevyempiä, koska useimmat komponentit on valmistettu komposiittimateriaaleista ajoneuvojen polttoainetehokkuuden parantamiseksi. Lisäksi ne eivät välttämättä vaadi useimpia komponentteja, joita tarvitaan fossiilisilla polttoaineilla käyttäviin perinteisiin ajoneuvoihin. Jotkut kyytipalveluyritykset keskittyvät korvaamaan polttomoottorikalustonsa sähköajoneuvoilla.
Energiatehokkuusongelmien ratkaisemiseksi tutkijat ehdottavat kevyiden materiaalien käyttöä autojen osien korvaamiseen, mikä voi vähentää ajoneuvon painoa ja parantaa polttoainetaloutta. Jokaista 10 kiloa ajoneuvon painonpudotusta kohden hiilidioksidipäästöt vähenevät 1 gramman kilometriä kohden, mikä vähentää polttoaineen kulutusta. Kevytratkaisusta on vähitellen tulossa tärkeä menetelmä, koska se on osoittautunut tehokkaaksi vähentämään polttoaineen kysyntää ja päästöjä.
Autoteollisuuden kevytpainotus keskittyy ajoneuvon massan vähentämiseen vaihtoehtoisten materiaalien ja komponenttien uudelleensuunnittelun avulla, samalla kun ajoneuvon koko säilyy ja kuluttajien tarpeet turvataan entisestään. Polttomoottoriajoneuvojen suunnittelussa tutkijat ovat käyttäneet erilaisia teknologioita selvittääkseen kevyiden materiaalien etuja perinteisiin verrattuna. Sähköajoneuvojen ja kevyen suunnittelun yhdistämisen tuloksena ajoneuvon ympäristövaikutukset vähenevät. Lisäksi kevyiden materiaalien käyttö sähköajoneuvoissa on ennakoitavissa, koska se voi parantaa suorituskykyä vähentämällä massaa, kuten ajomatkan ja akun koon hallintaa (kuten alla olevasta kuvasta näkyy).
Sähköajoneuvojen rakenneosien kokoonpano
Komposiittimateriaaleja pidetään mahdollisina ehdokasmateriaaleina kevyiden komponenttien valmistukseen, ja ajoneuvojen painoa on pyritty vähentämään samalla kun on kehitetty kustannustehokkaita menetelmiä kevyiden materiaalien, kuten hiilikuituvahvistettujen muovien (CFRP) valmistamiseksi. Perinteisiin materiaaleihin verrattuna CFRP:llä on korkea lujuus, pieni paino, hyvä tärinänkestävyys, korkea jäykkyys sekä korkeampi väsymis- ja korroosionkestävyys.
Vaikka autoteollisuuden komposiittimateriaaliteknologia on viime vuosina saanut laajaa huomiota ja tutkimusta, työllisyys autoteollisuudessa on edelleen jäljessä ilmailuteollisuudesta. Siksi lisäkehitystä ja edistymistä tarvitaan sähköajoneuvojen kasvavaan kysyntään vastaamiseksi. Seuraava taulukko näyttää eri ajoneuvotyyppien luokituksen. Kun sähköauto- ja autoteollisuuden nykyiset tilastot yhdistetään, kansainvälisten sähköajoneuvojen markkinoiden arvioitu arvo vuonna 2020 oli noin 120,81 miljardia dollaria, ja vuosittaisen kasvuvauhdin odotetaan olevan noin 32,5 % vuosina 2021–2028.
Eri ajoneuvoluokat
Vuonna 2020 autojen maailmanlaajuinen myynti oli noin 3 miljoonaa yksikköä, mikä merkitsee lähes 40 % kasvua vuodesta 2019. Samana vuonna sähköautojen osuus maailmanlaajuisesta myynnistä oli noin 30 %. Vuodesta 2021 lähtien Yhdysvallat on tarjonnut yli 15 erilaista akkusähköautomallia (BEV). Verrattuna ladattaviin hybridisähköajoneuvoihin (PHEV) BEV-ajoneuvojen odotetaan kasvavan enemmän kantama-ongelmiensa vuoksi.
Akku-sähköajoneuvojen markkinarakossa Tesla Model S:n päivitetty versio oli yleisin, ja toimittaja saavutti yli 70 % akku-sähköajoneuvojen myynnistä vuonna 2020. Korkein yhdistetty vuotuinen kasvuvauhti PHEV-teollisuudessa voi ylittää 32 prosenttia ennustejaksolla. Nämä edistysaskeleet johtuvat teollistuneiden ja kehittyvien talouksien hallitusten suosituksista sähköajoneuvojen käytön edistämiseksi.