Interpretazione completa di compositi avanzati per i veicoli elettrici e l'industria automobilistica
I materiali compositi si riferiscono a materiali composti da due o più materiali diversi. Tipicamente, metalli, ceramiche o materiali polimerici possono essere utilizzati come materiali della matrice principale. Rispetto ai materiali tradizionali, la maggior parte dei materiali compositi sono progettati concentrandosi su elevata resistenza specifica, peso inferiore e resistenza alla corrosione relativamente elevata. Maggiore resistenza, maggiore resistenza alla fatica, migliori proprietà fisiche, peso più leggero e migliore finitura superficiale sono i principali vantaggi dei materiali compositi.
Nell’industria automobilistica, i materiali compositi sono più leggeri dei metalli più comunemente utilizzati. I compositi a base di fibra di carbonio sono i compositi polimerici dalle prestazioni più elevate utilizzati nelle automobili, nel settore aerospaziale, nella difesa militare e nelle attrezzature sportive. Nelle auto tradizionali il metallo costituisce la struttura centrale, mentre alcune parti interne sono realizzate in materiali compositi. Negli ultimi anni i compositi in fibra di carbonio sono stati considerati il materiale più adatto per ridurre il peso del veicolo, sebbene possano differire dai metalli tradizionali ed essere costosi.
Rispetto alle leghe di alluminio, i materiali compositi possono vedere maggiori miglioramenti nelle proprietà meccaniche, nella microstruttura e nella morfologia superficiale. Generalmente, l'applicazione dei materiali compositi nell'industria automobilistica è classificata come materiali speciali. Nei veicoli elettrici, acciaio e ghisa rappresentano circa la metà dei materiali in peso; le leghe di alluminio rappresentano circa il 9% del totale, la plastica l'11% e la gomma il 3%. Al giorno d’oggi, le industrie si stanno concentrando sull’uso di risorse rinnovabili e sull’utilizzo ulteriore di materiali riciclabili, rispettosi dell’ambiente e meno pericolosi con un impatto globale.
La riduzione delle emissioni e del consumo di carburante è una delle principali sfide affrontate dall’industria automobilistica. A causa della produzione di energia basata su combustibili fossili a base di carbonio, una grande quantità di gas serra viene emessa nell’ambiente. Con il continuo aumento del consumo globale di elettricità, negli ultimi decenni si è assistito ad un aumento della domanda di energia. A causa dell’elevato costo del carburante, e considerando anche il degrado ambientale, i consumatori sono motivati a scegliere i veicoli elettrici. La domanda e la motivazione per l’utilizzo di veicoli elettrici sono aumentate in molti paesi del mondo. I veicoli elettrici sono alternative al diesel, alla benzina e ad altri veicoli a combustibile fossile perché utilizzano batterie agli ioni di litio, che offrono la comodità della ricarica mista e sono più leggere, poiché la maggior parte dei componenti sono realizzati con materiali compositi per migliorare l’efficienza del carburante del veicolo. Inoltre, potrebbero non richiedere la maggior parte dei componenti necessari per i veicoli tradizionali alimentati da combustibili fossili. Alcune società di ride-hailing si stanno concentrando sulla sostituzione delle loro flotte di motori a combustione interna con veicoli elettrici.
Per affrontare i problemi di efficienza energetica, i ricercatori suggeriscono di utilizzare materiali leggeri per sostituire le parti automobilistiche, che possono ridurre il peso del veicolo migliorando al tempo stesso il risparmio di carburante. Per ogni riduzione di 10 chilogrammi di peso del veicolo, le emissioni di carbonio diminuiranno di 1 grammo per chilometro, riducendo così il consumo di carburante. La soluzione leggera sta gradualmente diventando un metodo importante perché si è dimostrata efficace nel ridurre la domanda di carburante e le emissioni.
L’alleggerimento automobilistico si concentra sulla riduzione della massa del veicolo attraverso materiali alternativi e riprogettazione dei componenti, mantenendo le dimensioni del veicolo e garantendo ulteriormente le esigenze dei consumatori. Nella progettazione di veicoli con motore a combustione interna, i ricercatori hanno utilizzato varie tecnologie per studiare i vantaggi dei materiali leggeri rispetto a quelli tradizionali. Il risultato dell'integrazione dei veicoli elettrici e del design leggero è una riduzione dell'impatto ambientale del veicolo. Inoltre, è prevedibile l’uso di materiali leggeri nei veicoli elettrici, in quanto possono migliorare le prestazioni riducendo la massa, come l’autonomia di guida e il controllo delle dimensioni della batteria (come mostrato nella figura seguente).
Composizione dei componenti strutturali del veicolo elettrico
I materiali compositi sono considerati potenziali materiali candidati per la produzione di componenti leggeri e sono stati compiuti sforzi per ridurre il peso dei veicoli sviluppando allo stesso tempo metodi economicamente vantaggiosi per produrre materiali leggeri come la plastica rinforzata con fibra di carbonio (CFRP). Rispetto ai materiali tradizionali, il CFRP possiede elevata resistenza, peso ridotto, buona resistenza alle vibrazioni, elevata rigidità e maggiore resistenza alla fatica e alla corrosione.
Negli ultimi anni, sebbene la tecnologia dei materiali compositi automobilistici abbia ricevuto ampia attenzione e ricerca, l’occupazione nel settore automobilistico è ancora in ritardo rispetto all’industria aerospaziale. Pertanto, sono necessari ulteriore sviluppo e progresso per soddisfare la crescente domanda di veicoli elettrici. La tabella seguente mostra la classificazione dei diversi tipi di veicoli. Combinando le statistiche attuali dell’industria dei veicoli elettrici e dell’industria automobilistica, il valore stimato del mercato internazionale dei veicoli elettrici per passeggeri nel 2020 è stato di circa 120,81 miliardi di dollari, con un tasso di crescita annuo composto previsto di circa il 32,5% dal 2021 al 2028.
Diverse categorie di veicoli
Nel 2020, le vendite globali di automobili sono state di circa 3 milioni di unità, segnando un aumento di quasi il 40% rispetto al 2019. Nello stesso anno, i veicoli elettrici in Cina rappresentavano circa il 30% delle vendite globali. Dal 2021, gli Stati Uniti hanno offerto più di 15 diversi modelli di veicoli elettrici a batteria (BEV). Rispetto ai veicoli elettrici ibridi plug-in (PHEV), si prevede che i BEV registreranno una crescita maggiore a causa dei problemi di autonomia.
Nella nicchia dei veicoli elettrici a batteria, la versione aggiornata della Tesla Model S è stata la più comune, con il fornitore che ha realizzato oltre il 70% delle vendite nel settore dei veicoli elettrici a batteria nel 2020. Il tasso di crescita annuale composto più alto nel settore PHEV potrebbe superare il 32% nel periodo di previsione. Questi progressi possono essere attribuiti alle raccomandazioni avanzate dai governi delle economie industrializzate e in via di sviluppo per promuovere l’uso dei veicoli elettrici.