作为基础学科之一，材料学在国民经济、社会发展和制造产业中都扮演着支柱角色。当前汽车行业正在推进电动化和智能化转型，汽车材料这根支柱的高度，也决定了转型的成功度。

轻量化、绿色材料、循环利用，业已成为汽车新材料的主要发展方向，无论是降低整车能耗、提升电动化比例，还是优化汽车生产制造过程的环保性，新材料均起到决定性作用。当汽车产业进入新四化的新赛道，在本质上，也是材料等基础学科进入了新赛道。
当前汽车材料发展状况如何？该怎样实现突破？
本着解答这些“灵魂之问”的目的，6月29日上午，在以“绿色发展—促进汽车材料新飞跃”为主题的分论坛上，国内汽车材料领域专家和代表性企业同议共论，通过一场场生动精彩的演说，锚定汽车材料发展现状、探索未来方向。

新能源大厦的“地基”
早在亨利·福特掀起汽车产业第一次革命的时代，材料就成为推动变革的重要推手。开创现代工业流水线之先河的T型车，其得名来自于材料锡的英文TIN首字母。而锡片材料制作的模具，让亨利·福特能够加工一体成型车身。
“汽车行业的每一处进步，都离不开材料科技的支持，材料创新支撑了历次汽车转型升级和发展。”中国汽车工业协会副秘书长何毅在致辞时这样指出。从锡制模具促进流水线出现，到热成型钢强化汽车车身，再到动力电池的铅酸-镍氢-锂的演进路线，新材料无疑是汽车产业攀登高峰的功臣。
时至今日，节能减排压力当头，汽车行业将新能源作为最热发展方向，新材料也在电动化革命中具有不可取代的地位和意义，甚至比以往任何时期都更为重要。
电气化程度越高，材料的直接碳排放贡献越大，燃油车的材料直接碳排放占比为14.74%，混动车为20.19%，而纯电动车高达37.97%，从东风汽车公司技术中心材料技术总工程师李明桓按照测算模型工具给出的数据看，新能源对材料的碳排放更为倚重，故而新材料在节能减排的大盘子里也愈受重视。
关于新材料在新能源领域具体的应用，动力电池是绕不开的热门话题。至于动力电池的技术路线，三元锂以其相对较高的能量密度而广受整车企业和供应商的欢迎。但三元锂电池如何提高性能、做好全周期生态、降低安全风险，也离不开新材料的贡献。
仅以退役三元锂电池的应用为例，浙江新时代中能循环科技有限公司副总经理/研究院院长侯晓川给出了六大关键核心技术，几乎每一条都与材料学的新进展密切相关。例如第一项技术物理分离，修复再生，这需要精准识别元素，研发元素补偿与浓度均一调控技术与装备，进一步合成正极材料，转化利用；选择纯化，重塑再生，则需要开发石墨元素的重构与进一步的结晶，或者是结晶重构的技术。还有退役三元锂电池的物理修复再次利用，要点在于铜或铝的回收、高温固向修复以及包覆层的修复技术。
在纯电动之外，氢燃料电池被视为另一种具有远大前景的技术路线，而它的肯綮也在于材料。众所周知，氢燃料电池的瓶颈在于成本，成本核心在于催化剂的贵金属，同时储氢罐、运输设备也都对材料提出高要求。
作为化工材料学龙头，巴斯夫在燃料电池相关的新材料领域推出了Ultramid/Ultramid Advanced、尼龙/高温PPA材料以及PU发泡聚氨酯等材料品类，用于电堆系统BUP、高压储氢罐等方面。根据巴斯夫（中国）有限公司动力市场部经理王立松的介绍，诸如聚氨酯NVH方案，用于高频高压电机的声学降噪，基于尼龙9T的新材料用于电堆，能够在高达100度范围内保持机械性能，促进了氢燃料电池提升性能和推广应用。

轻量化如虎添翼
当前同级别汽车产品的尺寸空间越做越大，车身和具体零部件的重量，却在不断轻量化。在这一领域，材料和结构设计堪称决定进步的“两条腿”。
从高强度钢到CFRP碳纤维增强塑料，一系列新材料都对车辆减重降排贡献良多，其中，铝材被视为轻量化材料的明星。
根据中铝材料应用研究院轻量化工程中心业务主管吴永福博士提供的数据，截至2018年，中国每辆燃油车的铝材用量为120千克，纯电动车则为128千克。其预期未来3年里，国内新能源车每年的铝材用量，将从10万吨增加到316万吨左右。
铝材对车辆减重效果非常显著，一辆整备质量1.6吨的美国家用车，普通钢制白车身重量大约为475千克，如果换成铝合金车身，则只有285千克，减重幅度高达190千克（40%），而加上附加减重67千克（35%），总计可以减重257千克。这比高强度钢的161千克减重更明显。
这样大幅度的减重，对减少碳排放有怎样的贡献？
从德国能源与环境研究所数据看，家用车每减重100千克，在使用周期内的减排幅度可以达到1.5~2吨（按行驶20万公里计算），而出租车甚至可以高达3.5吨。尽管在生产环节，铝合金碳排放较高，但如果从整个汽车生命周期来核算，铝制白车身可以减少5.7吨碳排放，而高强度钢也可以减少3.9吨。按照欧盟碳排放每吨80~100欧元计算，经济效益非常显著。
武汉理工大学汽车轻量化技术中心副主任胡志力也给出了另一组数据：汽车重量降低10%，燃油效率提高6%~8%，电动汽车续航里程增加5%~6%。为此，高性能铝合金构件技术需要不断迭代更新。
据胡志力介绍，第一代铝合金热冲压技术，由英国大学教授、武汉理工大学科学家林建国开发，在与其长期合作过程中，武汉理工大学也掌握了第一代铝合金热冲压技术，但这一代技术时效时间长达24小时，能耗高、生产效率太低，只能用于航天和超跑。为此武汉理工大学团队开发了第二代工艺，将工艺中的传统软态变成预硬化，可以由板材厂提供，甚至可以进行冷成形和热成形，从而将效能提高10倍以上。
供应商在轻量化技术方面的提升，直接有利于整车产品进步。据李明桓讲述，现在东风汽车奕炫的整车轻量化系数达到2.1，无论是车辆运动性能还是排放的改善都显而易见。

从制造源头减排
以行业数据看，整车企业的制造环节对碳排放贡献似乎不算高，四大/五大工艺碳排放占比未超过3%。但业内的共识都是，制造环节的节能减排势在必行。因为碳排放从来都是在各个领域集腋成裘，从2025年到2030年，万元GDP碳排放有下降65%的刚性指标。
制造减排离不开先进工艺和尖端设备，而这两大要素也关联着材料科技。
上文提到的铝合金用于车辆，除了材料本身，还需要与先进加工手段结合。围绕铝合金一体压铸技术进展，广州广型模具有限公司技术总监梁振进表示，利用一体压铸之后，整个制程得到大幅度简化。
传统的焊接车身由诸多零部件构成，在强度韧性方面，一般的冲压设计需要多个零部件进行拼接、相互加强，很难通过单一板材实现高强度。而一体化压铸由于零部件融为一体，可以在保证强度的前提下实现较为复杂的设计，进而降低整车生产后续工序的复杂性。
为什么说，新材料需要结合新生产工艺会1+1＞2？因为两者之间的协同效应已经发生“化学反应”。例如铝合金的应用瓶颈之一在于成本，一体化压铸恰恰能够提升材料利用率。在高压铸造工艺里，余料主要是渣包和料头，可以进行回炉使用。高压铸造工艺还扩大了原料来源，可以大量地消耗二次铝，而不需要经常使用原生铝。
故而，特斯拉坚定使用一体化冲压铸造技术，也就不难理解。从实际效果看，在利用高压铸造工艺之后，整体上由于整车的连接数量大幅度减少，减少了很多涂装、焊装等过程，有利于缩小生产线占地面积。梁振进拿特斯拉美国千兆工厂作为例子，指出工厂的占地面积是明显少于传统车企的生产占地面积。
更为量化的效果在于先进材料+先进工艺带来的减重贡献。据悉，铝合金采用一体化铸造工艺之后，仅后舱零部件就可以减重55~63千克。再考虑到影响了整车设计优化和连接器件减重，整车的重量下降幅度会非常可观。
对此，发言的整车企业嘉宾也印证了新工艺结合新材料的受欢迎程度，表示国内新建的诸多整车工厂，先进性甚至超过欧洲和日本整车工厂，在制造环节确保中国汽车不会落后。

全维度全周期进步的方法论
新材料如果要真正发挥出最大的作用，需要拓展应用范围和思路，包括从开发设计到回收的全周期，以及从研究到标准、方法论的全维度。
在三元锂电池的应用中，废旧电池材料的回收格外关键，组成主要有正极材料、负极材料、隔膜、电解液和外壳等。侯晓川指出，如果对三元锂电处置不当，里面的重金属或有机质会污染水源、污染大气、污染土壤，从而导致人类的生存环境遭受严重的破坏；但如果采用合理科学的开发工艺，将里面的金属和非金属进行回收利用，不仅可以回收里面的金属，还可以高效利用里面的非金属，从而在根本上消除三元锂电池中的有机质及其重金属对环境的破坏。
随着新能源汽车的推广，退役三元锂电池的数量将愈加庞大。一般三元锂电池使用寿命是3~5年，2019年已步入大规模的退役阶段，预计2025年将达到125GWh。据介绍，这些废旧电池里包含大量的有价元素，尤其是锂的价格，从去年的5万一吨涨到今年50万一吨；此外，还有高含量的电解液、黏结剂。
不过，虽然看起来废旧电池是“百宝箱”，但也正由于组成复杂，回收难度增大，重金属和有机物也存在造成严重污染的风险，这就给企业的思路和技术工艺带来了考验。
李明桓也强调了扩大和调整新材料应用范围的必要性。汽车产品在转型，汽车材料本身是关键，是核心技术的载体，因而未来材料除了应用在传统的车身底盘以外，应该更多地集中在电机、电控、电池以及其他的特种功能部件，是整车企业的工作重点和供应商发力的重要方向。
技术研发和工艺提升固然重要，但配套的相关标准体系以及落实举措的方法论需要放在几乎同等的位置。
包括新材料和先进工艺在内，任何创新作用于节能减排，都需要有适应大环境的方法论和标准体系。中国电子节能技术协会全生命周期绿色管理专委会（LCA专委会)主任委员王洪涛在演讲里指出，减碳需要注重标准体系的构建。
商务部2021年出台了对外贸易高质量发展规划，提出促进标准认证，认证标识体系，要国际互认，探索建立外贸产品全生命周期碳足迹追踪系统。王洪涛解释称，该体系包含四个部分：核算标准、数据库、软件工具以及第三方审核，全面对标欧盟。
正如何毅所指出的，材料是国民经济和社会发展的基础和肩膀，也是国民经济的基础性和关键性的支柱产业。绿色材料是实现碳中和的根本途径，材料的蓬勃发展，是实现碳中和的前提，循环利用是循环经济的关键内涵，也是实现碳中和的重要一环。
新材料的发展，覆盖了从材料科学、先进工艺到配套体系标准等广阔领域，个中严峻挑战也是不言而喻。汽车材料创新，是这一轮汽车新赛道的一个起跑点，也必将成为中国汽车崛起的新发力点。
注：本文首发于《汽车纵横》杂志2022年7月刊