■帝斯曼工程塑料
前言
2021 Chinaplas 期間，帝斯曼工程材料推出了「探索之旅」線上虛擬展臺。其中汽車（包括一般汽車應用市場和新能源汽車）占比極大，凸顯了帝斯曼在該領域的雄心。帝斯曼工程材料全球高級工程開發經理于斌，接受媒體專訪，與大家分享了改進工程塑料如何助力汽車電氣化，以下是專訪的精彩內容。
汽車電動化的不可逆性
「在各國和地區分別提出碳中和願景的大背景下，我們看整個汽車行業的發展，並聚焦中國，2030 年中國禁止純燃油車銷售，電動化是個不可逆的趨勢。相對於傳統燃油車，汽車電氣化的各種形式和深度，無論是混動、插電混動、純電還是燃料電池，都離不開高壓電池包、高壓控制系統、逆變器、DC-DC 轉化器、電機等重要的功能性部件。帝斯曼專注於汽車的三電系統和燃料電池系統，所提供的PBT、PA66、PPS、PPA-ForTii® 等材料，在目前主流主機廠，如大眾、通用、特斯拉、小鵬、蔚來、理想、比亞迪、上汽、廣汽、北汽、長城等品牌上都有應用。」于斌開門見山。
相對於傳統燃油車中，電氣系統（48V 內的弱電）主要用於信號傳輸、發動機啓停、整車的控制等；而在電氣化的過程中，對電的使用方式發生改變，需使用電能去驅動整個車輛，且隨著電壓（數百伏特）和電流（數百安培）的升高，對工程塑料的要求和挑戰也完全不同於傳統燃油車。帝斯曼在汽車電氣化中，針對性地研究材料的電氣絕緣性能在車輛不同工况下的變化，給設計工程師們提供了很好的工程數據，以便開發更可靠、更優異的電動車。在高溫老化後，材料在不同工况下的電絕緣性、表面抗起弧性(CTI)，以及塑料與金屬複合射出中機械老化及開裂，帝斯曼都有很深入的研究，並可以提供全套的解決方案。在電動化的路徑中，大致有兩大類，一是依靠鋰離子電池（如三元鋰電、磷酸鐵鋰等）驅動；二是依靠燃料電池（氫燃料電池或甲醇重整燃料電池）驅動。如對比純電車和燃料電池車，純電車的電機效率在95%以上，其他損失大約20%，因此鋰電驅動效率大約為75%。而燃料電池車效率只有約55%，純電車的能量轉化效率比燃料電池高，但是為什麽燃料電池車輛目前受到如此多的關注？
燃料電池系統的必要性
目前的燃料電池技術路線有很多種，最受關注的大致有「兩種」，一是氫燃料電池；二是甲醇重整燃料電池。在重載運輸中，純電池驅動系統存在極大的電池重量、續航里程和超長的充電時間等明顯缺點。隨著容量的增加，電池重量也明顯增加，導致每公斤貨物的運輸成本升高，使得純電池技術不太適合商務運輸業。與其在車輛中裝載沉重的電池，不如利用燃料電池直接在車上產生所需能量。製造鋰電池的關鍵原材料鋰及鈷，有很大的產地集中性，極可能受到地緣政治的影響，但氫氣可實現區域內生產，現有加油站也很容易改造成燃料電池的加氫站。
圖1：于斌在訪談中提到純電池技術因電池重量、續航里程和超長充電時間等缺點，不適合商務運輸業
圖2：相較於純電池，燃料電池除具重量優勢外，還具有顯著的時間成本優勢
在大型商用車、重卡、遠洋貨輪等領域的電動化過程中，將三元鋰電、磷酸鐵鋰或其他電池形式與燃料電池系統作對比：鋰電系統能量密度平均在160 到240wh/kg，8 級重卡跑600 公里，需要裝載1200 到1300 千瓦時的電池，如此大的電池包，其重量平均值為7~7.5 噸；而燃料電池系統的整體重量會輕很多，如配置雙電堆和雙電機的系統，總重量大約在1.5 噸左右，這是燃料電池的重量優勢。另外一個優勢，重卡電池包體積和電量都很大，即使在雙槍快充（250KW 以上）的模式下，也需要數小時才能充滿，對於重載運輸，充電時間是個很大的問題。而燃料電池加氫時間，和傳統柴油車差不多，十分鐘左右可以完成。這是燃料電池的時間成本優勢。
與純電池技術相比，燃料電池具有以下優勢：氫氣加注時間和續航里程與內燃機相當（在一定輸入功率下，燃料電池的續航能力是柴油或汽油發動機的2.3倍）。沒有沉重的額外電池負荷，性能表現受天氣影響極小。除此之外，水是氫燃料電池系統的唯一副產物，對碳中和社會的構建有積極意義。氫能是一個理論上可以實現全產業鏈綠色的能源形式，所以目前國家對燃料電池車越來越重視，中石化、中石油等傳統燃油巨頭，以及各大重載運輸車輛生產商，也是基於這個原因，大力推動燃料電池產業化。
質子交換膜燃料電池(PEMFC) 受到歡迎
在燃料電池技術中，質子交換膜燃料電池(PEMFC) 越來越受歡迎。它在效率和排放之間取得了良好的平衡：工作溫度低、啓動時間短，並且可使用純氫作為燃料和普通環境空氣作為氧化劑。
回到材料本身，大部分的燃料電池著重在氫燃料電池。于斌表示，帝斯曼有別於其他材料公司的一個重要特點是，在材料開發的過程中，帝斯曼的出發點是深入研究整個系統的機理、系統的工况、系統的運行模式，以及在製造和生產中的問題，並從這些深入的研究中，抽取出材上需要做什麽改進，以最大程度上保證系統的長期壽命和效率。概括性來說，燃料電池大部分在70~90 攝氏度工况工作，100% 濕度、弱酸性環境，對材料的長期水解，離子析出率有很高的要求。另外，對材料純淨度的定義並不是在空氣中，而是考量在燃料電池工况中，材料是否會有其他物質析出；商用車、重卡，工作時長15,000 小時起，對材料長期工况下的抗水解性、老化後疲勞性、耐蠕變性，材料的純淨度，是否會析出離子，什麽樣的離子，離子對催化劑、對氣體擴散層、對質子交換膜有什麽樣的影響，帝斯曼都有全工况測試數據和計算模型，這些數據和模型可以幫助客戶縮短產品開發週期，並且做到「一次就對」！
從可靠性角度，特別是在抗離子浸出、耐水解以及相應的長期機械性能方面，目前所使用的材料仍多有不足，而其中一種解決方法是開發專門的PPS 化合物，以生產高效可靠的電池。帝斯曼專門針對燃料電池的特點，開發了全系列的材料，這些材料具有業內最低的離子析出率，最高的耐水解性和長期水解後的抗蠕變性，遠遠高於PPA, PA66 等工程塑料。
圖3：在訪談中，于斌指出「在材料開發過程中，帝斯曼深入研究整個系統的機理、系統的工况、系統的運行模式，以及在製造和生產中的問題，並從中找出材料需做什麽改進，以最大程度上保證系統的長期壽命和效率。」
最後，于斌指出，傳統燃油車，電的使用方式是信號控制和傳輸；而電動車，電是驅動，是高壓電，它不僅涉及動力問題，更涉及到安全問題。材料在工况下，老化機理、電熱老化機理、機械性能、疲勞性能、在有離子的污染環境下耐電弧起痕能力，所有性能測試研究都要基於實際工况。我們研究所有的實際工况，分析材料在高溫工况下，不同媒介下，電氣老化、熱老化性能的機理。我們去理解客戶的應用要求到底是什麽，轉化為材料的語言，通過我們很多深入的研究數據，最後轉化到我們的材料配方。「這些研究和材料上的突破，對於電動車領域理解的深度，帝斯曼在行業內是領先的。」■
