​【科研进展】二维材料在电动汽车的应用综述

研究背景

随着电动车辆作为替代传统内燃机车辆的日益普及，科学家和工程师开始关注电动车辆所带来的新挑战和机遇。其中，润滑、热管理、电兼容性和防腐等问题成为关注焦点。在这领域，研究人员意识到二维材料可能成为解决这些挑战的关键。然而，尽管电动车辆具有较少的移动部件，但其电动机、传动线组件、功率电子和电池组等部件带来了新的机械、摩擦学、热学和电学挑战。

为了解决这些复杂问题，德克萨斯州北部大学Diana Berman和Ali Erdemir教授, 蒙特雷理工大学Leonardo Israel Farfan-Cabrera教授, 智利大学化学工程Andreas Rosenkranz教授携手分析了电动车辆系统的需求，包括电动机、传动系统、电池组和功率电子等组件。然后，他们深入研究了电动车辆系统中润滑、热管理和材料兼容性等关键问题，并提出了相应的解决方案。具体而言，他们设计了新型润滑材料，优化了热管理系统，并改进了材料兼容性，从而有效地解决了电动车辆系统中的关键问题。相关成果在Nature Reviews Materials上发题为“2D materials for durable and sustainable electric vehicles”的综述文章。

研究内容

下图1是二维材料在电动车辆润滑问题中的应用方式和效果。图中显示了不同组件和表面上的二维材料的应用形式和效果。首先，图中显示了二维材料作为添加剂存在于润滑油和润滑脂中，形成悬浮的几层片或多层颗粒，以减少摩擦和磨损。具体地，研究者发现二维材料能够显著降低钢表面的磨损，例如，石墨烯可以使钢表面的磨损降低了三到四个数量级。其次，图中展示了二维材料作为润滑剂涂层，覆盖在表面和接触界面上，形成保护性固体润滑膜，以减轻电击磨损。例如，MXenes和MoS₂在干燥条件下的摩擦系数可以达到0.01。此外，图示了二维材料作为复合材料中的填料存在，用于加强电动车辆组件的结构。这种应用可以提高组件的耐磨性和机械强度，并改善其耐久性。通过这些不同的应用形式，二维材料能够在电动车辆的各个关键组件和表面上提供多种保护功能，包括减少摩擦、磨损和腐蚀。总的来说，其清晰展示了二维材料在电动车辆摩擦问题中的多种应用形式和效果，为解决电动车辆的润滑挑战提供了新的解决方案。

图1. 解决电动汽车摩擦学问题的二维材料。

总结展望

本文强调了对多功能材料的需求，这些材料能够同时解决电动车辆（EVs）面临的热、电和摩擦学挑战。在当前EV技术发展的背景下，传统材料往往无法满足EVs日益复杂的工作环境和性能需求。因此，基于二维材料等先进材料的研究变得至关重要。

二维材料具有出色的热、电和摩擦学性能，可以为EVs提供全面的解决方案。然而，要充分利用这些材料，需要更多针对实际应用场景的研究，以了解它们在真实工作条件下的性能表现，并且需要开发适合这些研究的专业实验设备。

通过这样的研究，我们可以更好地理解并利用二维材料在EVs中的潜力，从而提高EVs的效率、可靠性和安全性，推动电动车辆技术的进一步发展。因此，本文为未来EVs材料研究提供了重要的科学启示，强调了多功能材料在解决复杂工程问题中的关键作用。

文献详情：

Berman, D., Farfan-Cabrera, L.I., Rosenkranz, A. et al. 2D materials for durable and sustainable electric vehicles. Nat Rev Mater (2024).

https://doi.org/10.1038/s41578-024-00680-3