INSIGHT : la transition des véhicules électriques pour dynamiser l'innovation dans le domaine des plastiques avec les États-Unis comme plaque tournante clé

Joseph Chang

19-Avr-2023

TROY, Michigan (ICIS)–La transition vers les véhicules électriques (VE) dynamisera l'innovation et l'investissement dans les plastiques pour l'allègement, la résistance à la chaleur des composants critiques et la réduction du bruit et des vibrations. Et les États-Unis deviendront une plaque tournante pour de nouveaux investissements massifs dans le secteur, avec la loi américaine sur la réduction de l'inflation (IRA) comme moteur.

Qu'est-ce qui fait du secteur des véhicules électriques un tel foyer d'innovation ? C'est bien sûr encore une industrie émergente avec seulement environ 7% de part de marché aux États-Unis en termes de ventes de véhicules de tourisme, selon le Center for Automotive Research (CAR).

Mais un aspect clé lié au fait qu'il s'agit d'une industrie relativement nouvelle est le manque de normalisation des pièces automobiles et des systèmes pour véhicules électriques - à la fois dans la conception et les matériaux.

Pour l'industrie du plastique, cela offre une grande opportunité d'innover et d'offrir de nouveaux composants de résolution de problèmes destinés aux véhicules électriques - sous la forme de composites en polypropylène (PP), polyamide (nylon), acrylonitrile butadiène styrène (ABS), polycarbonate (PC ), polyéthylène à poids moléculaire ultra élevé (UHMWPE), polyéthylène téréphtalate (PET) et plus encore.

Les producteurs de plastiques et les fournisseurs de pièces ont discuté d'idées et présenté de nouveaux produits et concepts lors de la conférence sur les plastiques dans les véhicules électriques et autonomes (EAV) organisée par la Society of Plastics Engineers (SPE) à Troy, Michigan, États-Unis.

FOCUS SUR LE BLOC-BATTERIEUn domaine d'intérêt particulier est la batterie EV - un système énorme avec de multiples composants nécessitant différents niveaux de résistance à haute température et haute tension ainsi que d'autres propriétés.

L'utilisation du PP comme résine primaire dans les batteries de véhicules électriques devrait entraîner une augmentation de la consommation mondiale de PP dans les véhicules légers d'environ 61 kilogrammes (kg) par véhicule aujourd'hui à 99 kg par véhicule d'ici 2050, a déclaré Kevin Swift, économiste principal pour les produits chimiques mondiaux chez ICIS.

En termes de volumes, la consommation mondiale de PP des véhicules légers passerait de 2,57 millions de tonnes/an à 10,3 millions de tonnes/an d'ici 2050, a-t-il ajouté.

Cela prend en compte une plus grande pénétration mondiale des véhicules électriques de 10 % en 2021 à 61 % d'ici 2050 dans son scénario de base. Parmi les autres matériaux susceptibles d'en bénéficier figurent les polyuréthanes et le polycarbonate (PC).

Des plateaux de batterie aux couvercles de boîtiers, en passant par les couvercles de barres omnibus et les boîtiers de modules, "il y a tellement d'opportunités pour nous dans cet espace", a déclaré Dave Sullivan, directeur principal, Marketing de l'électrification des véhicules, Amériques chez SABIC.

"Il n'y a pas beaucoup de normalisation dans ce domaine", a-t-il ajouté.

SABIC a travaillé avec le préparateur Sanko Gosei pour produire un couvercle de batterie en PP renforcé de fibre de verre de 1,6 mètre (5,2 pieds) de long avec des retardateurs de flamme pour le véhicule électrique hybride rechargeable CRV (PHEV) de Honda produit en Chine. Le composant moulé par injection pèse environ 6 kg et est destiné à fournir aux passagers une protection contre l'emballement thermique dans une batterie qui provoque des incendies, entre autres propriétés.

PROTECTION CONTRE L'EMBALLAGE THERMIQUE"Lorsque des incendies se produisent, les véhicules électriques équipés de batteries lithium-ion brûlent plus chaud, plus rapidement et sont plus difficiles à éteindre", a expliqué Sullivan.

Ainsi, la gestion et la protection de la chaleur sont une opportunité essentielle dans les véhicules électriques pour le secteur des plastiques.

Le polyamide est également utilisé pour résoudre les problèmes d'emballement thermique des véhicules électriques, a déclaré Kai Becker, responsable mondial des applications chez Ascend Performance Materials.

Le polyamide 6,6 (PA66) d'Ascend avec des retardateurs de flamme peut étendre considérablement le point de fusion du PA66, ce qui le rend adapté aux jeux de barres pour maintenir la connexion d'isolation électrique tout au long d'un événement thermique, a déclaré Becker.

Il peut également être utilisé dans les boîtiers de modules de batterie pour protéger contre la propagation d'un incendie d'un module à l'autre, a-t-il ajouté.

Ce ne sont là que quelques-uns des exemples où des composites plastiques innovants peuvent être utilisés pour résoudre des problèmes propres aux véhicules électriques.

LA PART DE MARCHÉ DES VE AUX ÉTATS-UNIS VA ACCROÎTRE AVEC L'IRALes ventes américaines de véhicules électriques (VE) sont sur le point de grimper à 41 % d'ici 2030, grâce aux incitations de la loi américaine sur la réduction de l'inflation (IRA) et à une augmentation considérable des investissements liés aux véhicules électriques par les équipementiers et les fournisseurs, selon le responsable. du Centre de recherche automobile (CAR).

L'IRA des États-Unis offre des crédits d'impôt allant jusqu'à 7 500 $ par passager pour les véhicules électriques fabriqués en Amérique du Nord et des seuils pour les composants de batterie et les minéraux critiques provenant d'Amérique du Nord et des pays qui ont des accords de libre-échange (ALE) avec les États-Unis - 50 % pour les composants de batterie. et 40 % pour les minéraux critiques à partir du 18 avril 2023, passant à 60 % et 50 % d'ici 2024 et plus les années suivantes.

Il offre également des incitations pour les véhicules électriques d'occasion et commerciaux ainsi que pour les fournisseurs de composants et de minéraux.

Les équipementiers automobiles mènent la charge avec des investissements records en Amérique du Nord, les investissements dans les VE et les batteries VE représentant 87 % du total de 134 milliards de dollars de projets annoncés dans la région de 2019 à 2023 à ce jour, a déclaré Alan Amici, président et PDG de CAR.

2022 a été une année record pour les investissements automobiles annoncés en Amérique du Nord avec plus de 50 milliards de dollars de projets, selon CAR.

"En tant que fournisseur, cela réduit vos risques, car les équipementiers investissent beaucoup d'argent dans les véhicules électriques. La transition des véhicules électriques est en cours - il n'y a pas de retour en arrière", a déclaré Amici.

Pour les fournisseurs automobiles suivis, de 2020 à 2023, il y a eu 82,3 milliards de dollars d'investissements annoncés, dont 75 % destinés à l'électrification, a-t-il déclaré.

Les prévisions pour les États-Unis atteignant 41 % de part de marché pour les véhicules électriques – qui comprennent les véhicules électriques à batterie (BEV) et les véhicules électriques hybrides rechargeables (PHEV) – sont en hausse par rapport à 30 % en 2019 avant la pandémie. Pendant la pandémie et avant l'IRA , les prévisions sont tombées à seulement 21 % en raison d'une plus grande incertitude économique, a souligné Amici.

Aujourd'hui, les véhicules électriques ne représentent qu'environ 6,9 % des ventes d'automobiles, selon CAR.

EV LIGHTWEIGHTING PLUS CRITIQUEAlors que le pourcentage de plastiques et de composites dans la composition des matériaux des véhicules est relativement stable depuis cinq ans à 8,9 %, il existe « une formidable opportunité » dans cet espace car les plastiques jouent un rôle clé dans le défi de la réduction de poids, a déclaré Amici.

Un véhicule électrique pour passagers pèse généralement de 500 à 1 000 kg (1 100 à 2 200 lb) de plus qu'un véhicule ICE (moteur à combustion interne) traditionnel, ce qui crée une foule de défis au-delà de l'autonomie de conduite - composition et conception des pneus, freinage, caractéristiques de collision et géométrie de la suspension, il souligné.

BATAILLE SUR LA GAMME EV"La bataille autour de la gamme de véhicules électriques a considérablement accru l'importance des plastiques", a déclaré Jamie Brewer, ingénieur en chef exécutif, SUV Ultium haut de gamme chez le constructeur automobile américain GM.

"La poussée vers les véhicules électriques a obligé tous les équipementiers à réfléchir à où se trouvent toutes les opportunités, pour tirer parti de l'innovation future", a-t-elle ajouté.

L'utilisation de thermoplastiques dans les systèmes de refroidissement des véhicules électriques peut offrir des performances élevées et également un poids plus léger de 60 % par rapport aux systèmes de tuyaux en caoutchouc traditionnels, a noté l'exécutif.

D'autres applications pour les plastiques dans les véhicules électriques comprennent la bague de connexion du moteur (haute température), le système de hayon, le tableau de bord, le becquet à circulation, l'éclairage avant extérieur, les lames de feu arrière et les panneaux avant (calandre), a déclaré Brewer.

Alors que de nombreuses applications peuvent également être utilisées dans les véhicules ICE traditionnels pour alléger, le poids plus lourd des véhicules électriques et la quête d'une plus grande autonomie par charge entraînent une plus grande innovation dans ce domaine, a-t-elle déclaré.

GM investit 35 milliards de dollars dans les véhicules électriques et autonomes (VA) jusqu'en 2025 dans le but de lancer 30 nouveaux véhicules électriques dans le monde d'ici 2025. Il investit également 750 millions de dollars pour soutenir la construction de l'infrastructure de recharge.

OPTIMISER LES SYSTÈMES Ce n'est pas seulement l'allègement qui peut augmenter l'autonomie des véhicules électriques. Celanese travaille sur un projet ambitieux pour concevoir une nouvelle structure de batterie à densité d'énergie plus élevée qui prendra moins de place et fournira plus de puissance, a déclaré Pat Granowicz, ingénieur d'application de batterie EV au sein de l'entreprise.

L'approche 3 en 1 de Celanese pour un pack plus efficace implique un système de refroidissement composé d'un matériau renforcé de verre polyphtalamide (PPA), des interconnexions électriques utilisant de l'aluminium lié à un cadre en nylon et un cadre structurel en PPA, a-t-il noté.

La nouvelle structure permettrait aux équipementiers d'ajouter plus de cellules de poche de batterie au pack, augmentant considérablement la portée, a déclaré Granowicz.

EMPREINTE CARBONEAlors que les véhicules électriques eux-mêmes contribueront grandement à réduire les émissions de carbone, les constructeurs automobiles envisagent également la durabilité des matériaux qui entrent dans le véhicule pour atteindre des objectifs ambitieux.

Le plus grand impact sur la durabilité et l'empreinte carbone d'un véhicule se produit dans les premières étapes du développement du produit par le biais du concept et de la conception, a déclaré un dirigeant du fabricant américain de véhicules électriques (EV) Rivian.

"Rivian intègre activement la conception pour la durabilité dans le processus de développement de produits", a déclaré Dean Stevenson, directeur principal des intérieurs chez Rivian.

Une partie de cela tient compte de l'intensité en carbone des intrants en mettant l'accent sur les matériaux recyclés ou biosourcés. L'entreprise vise à créer une chaîne durable de fournisseurs avec des ambitions de durabilité, ainsi que des fournisseurs locaux pour une logistique efficace dans la mesure du possible, a-t-il ajouté.

Rivian utilise l'analyse du cycle de vie (ACV) pour évaluer les matériaux alternatifs aux premières étapes de la conception.

Par exemple, pour une certaine pièce automobile, à la place d'un ensemble fil et estampé, elle a utilisé un support en nylon moulé par injection avec 50 % de contenu recyclé qui a réduit les émissions d'équivalent CO2 de plus de 30 %, a souligné Stevenson.

L'entreprise évalue à la fois les émissions de carbone lors de la fabrication et de l'utilisation (par exemple : les économies d'énergie).

Pour sa structure de coussin de siège arrière, Rivian a remplacé la structure traditionnelle en acier tubulaire et embouti par une structure en PP expansé, réduisant les émissions d'équivalent CO2 de plus de 30 % et réduisant le poids du véhicule de 10 kg (22 lb), a déclaré Stevenson.

Rivian a également conçu la durabilité dans ses systèmes NVH (bruit, vibration et dureté), en utilisant du coton et du PET recyclé à 70 % au lieu de l'EPDM traditionnel (monomère d'éthylène propylène diène). Cela a entraîné une réduction de 70% des émissions d'équivalent CO2 et une réduction de poids d'environ 4 kg, a déclaré l'exécutif.

"Nous sommes prêts à payer un coût pour obtenir plus de PCR (matériau recyclé post-consommation) dans les véhicules, mais avec le temps, cela deviendra neutre en termes de coûts", a déclaré Stevenson.

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