天生我“材”，撐起汽車行業新未來

文 / 本刊記者 甄文媛 聞彥輔

當前汽車材料發展狀況如何？該怎樣實現突破？6 月29 日上午，“綠色發展—促進汽車材料新飛躍”分論壇正式召開，國內汽車材料領域專家和重點企業代表共同探索未來方向。

作為基礎學科之一，材料學在國民經濟、社會發展和制造產業中都扮演著支柱角色。當前汽車行業正在推進電動化和智能化轉型，汽車材料這根支柱的高度，也決定了轉型的成功度。

輕量化、綠色材料、循環利用，業已成為汽車新材料的主要發展方向，無論是降低整車能耗、提升電動化比例，還是優化汽車生產制造過程的環保性，新材料均起到決定性作用。當汽車產業進入新四化的新賽道，在本質上，也是材料等基礎學科進入了新賽道。

當前汽車材料發展狀況如何？該怎樣實現突破？

本著解答這些“靈魂之問”的目的，6 月29日上午，在以“綠色發展—促進汽車材料新飛躍”為主題的分論壇上，國內汽車材料領域專家和代表性企業同議共論，通過一場場生動精彩的演說，錨定汽車材料發展現狀、探索未來方向。

新能源大廈的“地基”

早在亨利·福特掀起汽車產業第一次革命的時代，材料就成為推動變革的重要推手。開創現代工業流水線之先河的T 型車，其得名來自于材料錫的英文TIN 首字母。而錫片材料制作的模具，讓亨利·福特能夠加工一體成型車身。

“汽車行業的每一處進步，都離不開材料科技的支持，材料創新支撐了歷次汽車轉型升級和發展?！敝袊嚬I協會副秘書長何毅在致辭時這樣指出。從錫制模具促進流水線出現，到熱成型鋼強化汽車車身，再到動力電池的鉛酸-鎳氫-鋰的演進路線，新材料無疑是汽車產業攀登高峰的功臣。

時至今日，節能減排壓力當頭，汽車行業將新能源作為最熱發展方向，新材料也在電動化革命中具有不可取代的地位和意義，甚至比以往任何時期都更為重要。

電氣化程度越高，材料的直接碳排放貢獻越大，燃油車的材料直接碳排放占比為14.74%，混動車為20.19%，而純電動車高達37.97%，從東風汽車公司技術中心材料技術總工程師李明桓按照測算模型工具給出的數據看，新能源對材料的碳排放更為倚重，故而新材料在節能減排的大盤子里也愈受重視。

關于新材料在新能源領域具體的應用，動力電池是繞不開的熱門話題。至于動力電池的技術路線，三元鋰以其相對較高的能量密度而廣受整車企業和供應商的歡迎。但三元鋰電池如何提高性能、做好全周期生態、降低安全風險，也離不開新材料的貢獻。

僅以退役三元鋰電池的應用為例，浙江新時代中能循環科技有限公司副總經理/研究院院長侯曉川給出了六大關鍵核心技術，幾乎每一條都與材料學的新進展密切相關。例如第一項技術物理分離，修復再生，這需要精準識別元素，研發元素補償與濃度均一調控技術與裝備，進一步合成正極材料，轉化利用；選擇純化，重塑再生，則需要開發石墨元素的重構與進一步的結晶，或者是結晶重構的技術。還有退役三元鋰電池的物理修復再次利用，要點在于銅或鋁的回收、高溫固向修復以及包覆層的修復技術。

在純電動之外，氫燃料電池被視為另一種具有遠大前景的技術路線，而它的肯綮也在于材料。眾所周知，氫燃料電池的瓶頸在于成本，成本核心在于催化劑的貴金屬，同時儲氫罐、運輸設備也都對材料提出高要求。

作為化工材料學龍頭，巴斯夫在燃料電池相關的新材料領域推出了Ultramid/Ultramid Advanced、尼龍/高溫PPA 材料以及PU 發泡聚氨酯等材料品類，用于電堆系統BUP、高壓儲氫罐等方面。根據巴斯夫（中國）有限公司動力市場部經理王立松的介紹，諸如聚氨酯NVH 方案，用于高頻高壓電機的聲學降噪，基于尼龍9T 的新材料用于電堆，能夠在高達100 度范圍內保持機械性能，促進了氫燃料電池提升性能和推廣應用。

輕量化如虎添翼

當前同級別汽車產品的尺寸空間越做越大，車身和具體零部件的重量，卻在不斷輕量化。在這一領域，材料和結構設計堪稱決定進步的“兩條腿”。

從高強度鋼到CFRP 碳纖維增強塑料，一系列新材料都對車輛減重降排貢獻良多，其中，鋁材被視為輕量化材料的明星。

根據中鋁材料應用研究院輕量化工程中心業務主管吳永福博士提供的數據，截至2018 年，中國每輛燃油車的鋁材用量為120 千克，純電動車則為128 千克。其預期未來3 年里，國內新能源車每年的鋁材用量，將從10 萬噸增加到316 萬噸左右。

鋁材對車輛減重效果非常顯著，一輛整備質量1.6 噸的美國家用車，普通鋼制白車身重量大約為475 千克，如果換成鋁合金車身，則只有285 千克，減重幅度高達190 千克（40%），而加上附加減重67 千克（35%），總計可以減重257 千克。這比高強度鋼的161 千克減重更明顯。

這樣大幅度的減重，對減少碳排放有怎樣的貢獻？

從德國能源與環境研究所數據看，家用車每減重100 千克，在使用周期內的減排幅度可以達到1.5～2 噸（按行駛20 萬公里計算），而出租車甚至可以高達3.5 噸。盡管在生產環節，鋁合金碳排放較高，但如果從整個汽車生命周期來核算，鋁制白車身可以減少5.7 噸碳排放，而高強度鋼也可以減少3.9 噸。按照歐盟碳排放每噸80～100歐元計算，經濟效益非常顯著。

武漢理工大學汽車輕量化技術中心副主任胡志力也給出了另一組數據：汽車重量降低10%，燃油效率提高6%～8%，電動汽車續航里程增加5%～6%。為此，高性能鋁合金構件技術需要不斷迭代更新。

據胡志力介紹，第一代鋁合金熱沖壓技術，由英國大學教授、武漢理工大學科學家林建國開發，在與其長期合作過程中，武漢理工大學也掌握了第一代鋁合金熱沖壓技術，但這一代技術時效時間長達24 小時，能耗高、生產效率太低，只能用于航天和超跑。為此武漢理工大學團隊開發了第二代工藝，將工藝中的傳統軟態變成預硬化，可以由板材廠提供，甚至可以進行冷成形和熱成形，從而將效能提高10 倍以上。

供應商在輕量化技術方面的提升，直接有利于整車產品進步。據李明桓講述，現在東風汽車奕炫的整車輕量化系數達到2.1，無論是車輛運動性能還是排放的改善都顯而易見。

從制造源頭減排

以行業數據看，整車企業的制造環節對碳排放貢獻似乎不算高，四大/五大工藝碳排放占比未超過3%。但業內的共識都是，制造環節的節能減排勢在必行。因為碳排放從來都是在各個領域集腋成裘，從2025 年到2030 年，萬元GDP 碳排放有下降65%的剛性指標。

制造減排離不開先進工藝和尖端設備，而這兩大要素也關聯著材料科技。

上文提到的鋁合金用于車輛，除了材料本身，還需要與先進加工手段結合。圍繞鋁合金一體壓鑄技術進展，廣州廣型模具有限公司技術總監梁振進表示，利用一體壓鑄之后，整個制程得到大幅度簡化。

傳統的焊接車身由諸多零部件構成，在強度韌性方面，一般的沖壓設計需要多個零部件進行拼接、相互加強，很難通過單一板材實現高強度。而一體化壓鑄由于零部件融為一體，可以在保證強度的前提下實現較為復雜的設計，進而降低整車生產后續工序的復雜性。

為什么說，新材料需要結合新生產工藝會1+1＞2？因為兩者之間的協同效應已經發生“化學反應”。例如鋁合金的應用瓶頸之一在于成本，一體化壓鑄恰恰能夠提升材料利用率。在高壓鑄造工藝里，余料主要是渣包和料頭，可以進行回爐使用。高壓鑄造工藝還擴大了原料來源，可以大量地消耗二次鋁，而不需要經常使用原生鋁。

故而，特斯拉堅定使用一體化沖壓鑄造技術，也就不難理解。從實際效果看，在利用高壓鑄造工藝之后，整體上由于整車的連接數量大幅度減少，減少了很多涂裝、焊裝等過程，有利于縮小生產線占地面積。梁振進拿特斯拉美國千兆工廠作為例子，指出工廠的占地面積是明顯少于傳統車企的生產占地面積。

更為量化的效果在于先進材料+先進工藝帶來的減重貢獻。據悉，鋁合金采用一體化鑄造工藝之后，僅后艙零部件就可以減重55～63 千克。再考慮到影響了整車設計優化和連接器件減重，整車的重量下降幅度會非?？捎^。

對此，發言的整車企業嘉賓也印證了新工藝結合新材料的受歡迎程度，表示國內新建的諸多整車工廠，先進性甚至超過歐洲和日本整車工廠，在制造環節確保中國汽車不會落后。

全維度全周期進步的方法論

新材料如果要真正發揮出最大的作用，需要拓展應用范圍和思路，包括從開發設計到回收的全周期，以及從研究到標準、方法論的全維度。

在三元鋰電池的應用中，廢舊電池材料的回收格外關鍵，組成主要有正極材料、負極材料、隔膜、電解液和外殼等。侯曉川指出，如果對三元鋰電處置不當，里面的重金屬或有機質會污染水源、污染大氣、污染土壤，從而導致人類的生存環境遭受嚴重的破壞；但如果采用合理科學的開發工藝，將里面的金屬和非金屬進行回收利用，不僅可以回收里面的金屬，還可以高效利用里面的非金屬，從而在根本上消除三元鋰電池中的有機質及其重金屬對環境的破壞。

隨著新能源汽車的推廣，退役三元鋰電池的數量將愈加龐大。一般三元鋰電池使用壽命是3～5 年，2019 年已步入大規模的退役階段，預計2025 年將達到125GWh。據介紹，這些廢舊電池里包含大量的有價元素，尤其是鋰的價格，從去年的5 萬一噸漲到今年50 萬一噸；此外，還有高含量的電解液、黏結劑。

不過，雖然看起來廢舊電池是“百寶箱”，但也正由于組成復雜，回收難度增大，重金屬和有機物也存在造成嚴重污染的風險，這就給企業的思路和技術工藝帶來了考驗。

李明桓也強調了擴大和調整新材料應用范圍的必要性。汽車產品在轉型，汽車材料本身是關鍵，是核心技術的載體，因而未來材料除了應用在傳統的車身底盤以外，應該更多地集中在電機、電控、電池以及其他的特種功能部件，是整車企業的工作重點和供應商發力的重要方向。

技術研發和工藝提升固然重要，但配套的相關標準體系以及落實舉措的方法論需要放在幾乎同等的位置。

包括新材料和先進工藝在內，任何創新作用于節能減排，都需要有適應大環境的方法論和標準體系。中國電子節能技術協會全生命周期綠色管理專委會（LCA 專委會)主任委員王洪濤在演講里指出，減碳需要注重標準體系的構建。

商務部2021 年出臺了對外貿易高質量發展規劃，提出促進標準認證，認證標識體系，要國際互認，探索建立外貿產品全生命周期碳足跡追蹤系統。王洪濤解釋稱，該體系包含四個部分：核算標準、數據庫、軟件工具以及第三方審核，全面對標歐盟。

正如何毅所指出的，材料是國民經濟和社會發展的基礎和肩膀，也是國民經濟的基礎性和關鍵性的支柱產業。綠色材料是實現碳中和的根本途徑，材料的蓬勃發展，是實現碳中和的前提，循環利用是循環經濟的關鍵內涵，也是實現碳中和的重要一環。

新材料的發展，覆蓋了從材料科學、先進工藝到配套體系標準等廣闊領域，個中嚴峻挑戰也是不言而喻。汽車材料創新，是這一輪汽車新賽道的一個起跑點，也必將成為中國汽車崛起的新發力點。