（本文原载于Lightmetal Age 2023年10月期，作者为来自布鲁内尔大学的Geoff Scamans）
汽车制造商要达到全球碳排放目标，必须从本质上让车辆变得更高效、更轻量化。应用铝材，有助于汽车制造商实现了这一目标，因此，在过去的20年里，从高度专业化的细分市场到高档车市场再到量产汽车市场，铝密集型汽车在各个汽车领域都有了显著的增长。虽然在白车体应用中钢仍占主导地位，但预计铝的增长也将继续增长，铝密集型车到2030年将超过300万辆。事实上，许多最新的电池电动汽车都是铝密集型的。
汽车轻量化为汽车制造商带来了许多好处。然而，正如专注推动铝制汽车车身板应用的非营利组织Alumobility的技术总监Mark White最近所言，要想在快速增长的大众电动汽车市场上普及轻量化，轻质材料必须价格合理。此外，与目前用作车身结构主要材料的钢和铝相比，选择的材料需要大幅减少嵌入碳的数量。因此，铝在电动汽车应用中增长的关键，是从使用原铝转向使用报废的再生铝，以开发新的汽车合金。本文概述了最近专注于实现这一目标的开发项目。
车辆平均重量
讨论当前汽车重量增加的趋势，就必须要分析当前汽车轻量化的趋势，这一趋势源于消费者对SUV车型的偏好和对电动汽车提供可接受的行驶里程的需求。根据美国环境保护署(EPA)的数据，自新冠疫情以来，美国汽车的重量平均增加了近100kg。世界各地的汽车也在变得越来越重。在欧洲，从2001年到2022年，汽车的平均重量增加了272kg，达到1600kg。与此同时，在美国，同期内汽车的平均重量在1908kg左右，接近惊人的2吨，增幅略低，为195kg。
向电动汽车的转型并没有推动轻量化趋势，因为电池的重量不断增加，以便为这些“庞然大物”提供可接受的续航里程。大众汽车公司的一个典型例子是ID.3纯电动汽车，其重量为1830kg，比配备内燃机的1388kg的高尔夫重442kg(增加24%)。
在美国，电动汽车和内燃机汽车之间的重量差距较小，纯电动汽车的重量往往相对增加了10%，因为汽车的平均体积更大。值得注意的是，福特F-150 Lightning车型比同等内燃改动车车型重28%。汽车变得越来越大，越来越安全，但越来越多的SUV比它们所取代的掀背车和城市车要重得多。
多年来一再证明，铝制车身通常比同等的钢制车身轻40-45%，在最近出版的Alumobility论文《谈到铝制汽车，少即是多》（When It Comes to Aluminum Vehicles,Less Is More,”Alumobility,2023）中，再次确认了这一点。该论文证明铝密集型车辆是更高效的运输方式，提高了相应的纯电动汽车和内燃机汽车的续航里程。铝密集型汽车还具有固有的耐腐蚀性，无需涂层，并为二次减重和使用更小的电池提供了机会。更轻的汽车也更安全，因为铝比钢吸收更多的能量。它们对其它道路使用者和行人的伤害较小，同时减少轮胎磨损和相关污染颗粒排放。根据Gordon Murray Design最近的一项研究（https://www.gordonmurraydesign.com/），更轻的车辆对道路和其它交通基础设施的破坏也更小，特别适合最后一英里的送货车辆，因为减轻的重量可以转化为增加的有效载荷。
铝的碳排放影响
原铝工业是全球二氧化碳和其它强效温室气体的主要排放源。根据国际铝协的数据，原铝生产中的隐含碳量一直停留在17 t CO2e/t Al的世界平均水平，并没有遵循到2050年将全球气温上升控制在1.5°C以下情景所需的全球平均减排的要求。
值得注意的是，生产一吨再生铝所产生的排放量，仅为生产一吨原铝所产生的排放量的3-5%左右，即使这一水平，也可以通过改用电熔化或等离子体熔化途径来进一步减少。铝用于轻量化汽车时，脱碳的最快途径，是从使用原铝转为使用来自报废汽车和其它合适的再生来源的再生铝，并且作为闭环循环经济的一部分。这种直接脱碳的途径，远远超出了原铝生产商的梦想。
原铝的碳负荷从20 t CO2e/t Al到4 t CO2e/t Al,不等，这取决于冶炼过程中使用的能源。在生产含回收铝的铝合金时，使用越来越多的废铝可逐步将碳负荷降低到0.5 t CO2e/t A，当全部采用回收铝时，碳负荷会更低。图1显示了将消费后的废铝混合到欧洲进口原铝后的碳足迹情景，原铝生产过程中所需电力的来源有异。如果所有加热和熔融工艺都使用清洁电力或绿色氢，那么，当全部采用消费后废铝时，碳足迹将接近于零。目前，汽车生产商所采购的最铝产品的最低碳足迹为2 t CO2e/t Al，这一生产过程中，消费后废铝的用量为55%，并与碳足迹最低的原铝组合。然而，对于碳足迹最高的原铝，再生铝的用量需要达到90%以上才可以使最终产品的碳足迹为2 t CO2e/t Al。
图1不同比例的再生铝（报废后铝）与不同来源的原铝组合后的铝产品碳足迹
破碎的建筑废料(含轧制废铝)以及来自粉碎车辆的有色金属废料，都可以以相对较低的成本购买（伦敦金属交易所报价的50-60%)，然后可以使用相对简单的干式净化技术(磁铁加涡流分选)升级为更高价值的产品，随后用自动x射线传输(XRT)基于密度的传感系统来分选。用激光诱导击破光谱(LIBS)的技术，也可以实现废料的分选，不过，这是一道额外的处理工序，以此可以进一步净化废料流，以减少铁、铜，硅和锰的含量。一些铝合金产品对这类杂质元素的含量都有一定的限制。
利用再生铝生产铝制汽车车身薄板、挤压型材和结构铸件，这方面取得了重大进展，由此开发的相关低碳产品，机械或耐腐蚀性能均没有明显的损失。
回收汽车车身板
由捷豹路虎主导的REALCAR和REALITY项目，证明了回收冲压废铝对于制造汽车板材合金(如AA5754和AA6111.4-5)的价值，这些合金随后由诺贝丽斯得到了推广，其中包含RC5754和RC6111合金。然而，由回收的工艺废铝制成的铝合金不一定是低碳的，因为它们携带着最初铸造它们的铝合金混合物所承载的碳负荷。
铝制汽车车身薄板由报废车辆和其它回收来源生产的变形铝制成，其商业可用性有限。这可能仅限于像Profilglass和格朗吉斯这样的生产商，因为他们收购了波兰的Aluminium Konin。
Profilglass利用消费后的废铝生产铝制汽车车身薄板（ABS），提供给Stellantis在试验中使用。这种回收铝制汽车车身薄板的开发项目，是欧洲铝协协调的一个名为SALEMA.6的欧盟资助项目的一部分，该项目包括来自6个欧洲国家的16个合作伙伴，旨在生产硅和镁含量最低的再生铝合金，以减少铝行业对这些关键金属的依赖。该项目的重点是从铝制轻型汽车入手，为绿色汽车工业提供解决方案。
Aluminium Konin向Impression Technologies Limited(ITL)提供低碳AA6082板材，用于电池外壳应用的热成型和淬火(HFQ)试验。ITL和FEV集团为电动汽车开发了一种外骨骼电池外壳概念，HFQ工艺可以使用回收铝薄板，并在外壳内增加更多电池的空间，以增加车辆的续航里程。这一开发的早期工作，是RACEForm项目的一部分，该项目证明了AA6111铝铝车身薄板可以在实验室规模上由100%的回收废铝制成。在这种情况下，从废物能源回收设施(ERF)的焚烧炉底灰(IBA)中回收的铝被送入熔炼炉。在跨模热成形试验和冷成形试验中，含100%废铝的AA6111合金的性能与市售AA6111板材相当。由于ITL公司很难从主要商业供应商处采购高回收含量的铝车身薄板，因此，ITL开始与格朗吉斯合作，共同开发AA6082再生铝薄板。
回收铝型材
肯联与汽车原始设备生产商合作，实施ALIVE项目，旨在解决目前无法生产结构铝电池外壳的问题，以满足快速增长的电动车所要求的质量和价格目标。要评估的解决方案是基于使用Constellium HAS6®高强度AlMgSiCu铝挤压合金组合，结合全新的设计和制造理念，提供迄今为止生产的最具成本效益的铝电池外壳。项目中评估的解决方案，将电池模块的安全单元与车辆和乘员安全的碰撞保护系统相结合，并根据汽车生产商合作伙伴的要求配备或不配备集成冷却系统。关键的创新，是使用简化的装配技术，采用最低的资本成本和灵活的设施，生产轻量化和多变种的外壳，且具有卓越的尺寸精度和密封性能。同时，ALIVE项目还将解决在一条生产线上生产多种外壳变体的能力。该项目的结果，有可能疏通供应链，包括不同平台的小批量生产和技术演示。这一结果，能够实现从内燃机到混合动力再到全纯电动汽车的经济高效转型，同时也为大批量生产提供了可扩展性。该项目的成果包括4种不同的外壳变体，在英国Milibrook举行的2023年CENEX LCV展上，肯联首次展出了这类产品。
图2在CENEX 2023展会的肯联展台上展出的挤压铝材密集型电池外壳
铝挤压合金应用开发的下一阶段，正在通过CirConAl项目进行。该项目也由肯联与类似的合作伙伴以及来自供应链上游的其它合作伙伴共同参与，旨在使用先进的分选技术，如XRT和LIBS，从废料流中生产再生铝。正在研究的各种废料流范围，从报废的车辆到报废的建筑物。Constellium HSA6®高强度和Constellium HCA6®高抗压合金，已在伦敦布鲁内尔大学以1:1的比例成功铸造和挤压成复杂的截面，这些合金由混合废铝组成，并以重熔二次锭锭(RSI)的形式提供。该项目将展示轻型铝电池外壳和碰撞管理系统，该系统中的产品，采用了高回收铝含量的合金。参与项目的原始设备生产商，将产品用于指定的特定纯电动汽车。
再生铝铸造合金
多年来，用于动力系统的铝铸造合金一直使用再生铝，其成分被设定为适合混合废料。然而，在汽车结构件应用中使用的铸造合金的情况极为不同，汽车用铸造合金的成份配方，几乎总是以原铝含量为基础。
欧盟资助的RecycAL项目，已经部分解决了这一问题。RecycAL项目通过开发和采用高剪切处理(HSP)和沉积技术，解决了回收铝废料中铁、锡和锰杂质金属间形成的问题。该工艺通过沉降工序，使含铁金属间颗粒从熔融铝中分离出来，从而减少废料中的铁污染。这表明，高铁“低质量”二次废铁可以升级为铁含量低得多的高质量废料。这可能是减少这类铁含量的首个工业上可行的方法。意大利F.O.M.T.公司使用来自葡萄牙Suldouro机械生物处理(MBT)厂的二次铝，铸造汽车排气支架，并成功演示了HSP工艺。在抗拉强度、疲劳性能和腐蚀性能方面，这些铸件与由原铝铸造的部件具有相当的性能。
图3由RecycAL项目合作伙伴F.O.M.T.采用HSP铝回收工艺生产的铸造排气支架
意大利Raffmetal是SALEMA项目的合作伙伴之一，是欧盟领先的利用再生铝生产铝铸造合金的生产商，年产能为35万吨。该公司已经证明，从特定的报废废料流中生产高性能结构铝铸造合金是可能的。他们的SILVAL系列铸造合金的回收铝含量在80%到100%之间，碳足迹低至0.48 kg CO2eq/kg Al。Raffmetal投资了XRT和LIBS分选技术，以获得合适的再生铝来生产铝合金，由此得到的铝合金产品，与采用原铝制备的产品相匹配。
消费后废铝的电解精炼，对铸铝合金而言也颇有价值。潜在的原料可能是由于对内燃机和其它传统传动系统的需求减少而产生的堆积如山的废料，因为新的立法，正在逐步禁止销售这种动力系统的新车。这些二次合金基铸造产品中所含的铝的比例相对较大，这些合金在其使用寿命结束后，通过精炼工序可以为结构铸造和变形产品提供原料。此外，还可能有机会从这类废料流中回收添加的合金元素，如镁和硅，以满足合金性能的要求。
推动这一进程的是美铝的ASTRAEA技术。该技术用于净化消费后的废铝，据说纯度达到P0101(0.01 wt%Si和0.01 wt%Fe)。这比典型冶炼厂生产的P1020(0.10 wt%Si和0.20 wt%Fe)铝的纯度要好。该工艺的预期原料，来自Twitch的铸铝废料，这是一种从报废汽车和白色家电（大型电器产品，如冰箱和洗衣机）提取的混合金属废料切片中提取的铝。
铝的轻量化优势
以再生铝为基础的板材、挤压和铸造合金，为汽车结构应用提供了多种优势。这些优势包括减轻重量以及与原铝合金相似或相等的高性能属性，但嵌入的碳含量要低得多，有可能使碳足迹减少到接近零。目前，业内可以获得这些优势，并且依赖于已经建立的制造技术，从而消除令人瞠目的昂贵开发计划或科学或工程。现有的每一种再生铝产品，都将在未来几代轻型电动汽车中发挥重要作用，并减少车辆的碳排放。
参考文献
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7.“FEV and ITL Develop Innovative Battery Housing Demonstrator for E-Vehicles,”FEV,May 4,2023.
8.“APC7–RACEFORM(Rapid Aluminium Cost-Effective Forming),”Brunel University London.
9.“Constellium to lead£15 million ALIVE project for the development of new aluminium battery enclosures for electric vehicles,”Constellium,June 25,2020.
10.CENEX LCV Show.
11.“Constellium–Circular and Constant Aluminium(CirConAl),”Advanced Propulsion Center UK.
12.RecycAl project.
13.F.O.M.T.
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