Den här artikeln undersöker aktuella tillämpningar och forskningsframsteg för kolfiberkompositer i vätgaslagring och batteripaket för nya energifordon. Den diskuterar klassificering och utvecklingstrender för högtrycksgasflaskor och batteripaket, analyserar fördelarna och nackdelarna med kolfiberkompositer och förutser framtida tillämpningar och utsikter för högpresterande fiberkompositer inom området för nya energifordon.

Översikt över kolfiberkompositer

Att använda lättviktsmaterial för att minska fordonsvikten har blivit en avgörande metod för att uppnå lättviktskraften hos nya energifordon. Med den kontinuerliga utvecklingen inom materialvetenskap har olika lättviktsfiberkompositer, såsom glasfiberförstärkta kompositer och kolfiberförstärkta kompositer, börjat användas inom området för nya energifordon.

Kolfiberkompositer, kända för sin låga densitet, höga hållfasthet, korrosionsbeständighet och utmattningsbeständighet, är de mest använda högpresterande fiberkompositerna inom bilsektorn. De används flitigt i olika bilsystem, såsom dörrar och tak i bilkarossen, stötstänger och vippor i motorsystemet, drivaxlar och kopplingsblad i transmissionssystemet och chassikomponenter som underredesramar och fjädringsdelar.

Med den snabba utvecklingen av nya energifordon har säker lagring av deras kraftenergi blivit ett centralt forskningsfokus. Högtrycksgasflaskor för fordon med vätgas och batteripaket för elfordon är de viktigaste energilagringsmetoderna för närvarande. Kolfiberkompositer, med sina många fördelar, börjar bli framträdande inom detta område.

Introduktion till kolfiber

Kolfibrer används vanligtvis som förstärkningsmaterial, i kombination med harts, metall eller keramiska matriser för att bilda kolfiberkompositer. Figur 1 visar exempel på kolfibertyger och kolfiberkompositprofiler.

Kolfibrer har följande fördelar:

1. Låg densitet och hög hållfasthet: Med en densitet på endast 1,5~2,0 g/cm³ är de ungefär hälften av densiteten hos lätta aluminiumlegeringar, men 4-5 gånger starkare än stål och 6-7 gånger starkare än aluminium.

2. Beständighet mot hög temperatur och låg temperatur: Kolfibrer smälter eller mjuknar inte i icke-oxiderande atmosfärer vid 3000°C och blir inte spröda vid temperaturer av flytande kväve.

3. Bra elektrisk ledningsförmåga: Vid 25°C har kolfibrer med hög modul ett specifikt motstånd på 775Ω·cm, medan höghållfasta kolfibrer har ett specifikt motstånd på 1500Ω·cm.

4. Syrakorrosionsbeständighet: Kolfibrer motstår korrosion från koncentrerad saltsyra, fosforsyra och svavelsyra.

Baserat på prekursortyper, mekaniska egenskaper och filamentbuntstorlekar kan kolfibrer kategoriseras i flera typer, som visas i tabell 1.

Kolfibrer klassificeras vanligtvis efter sina mekaniska egenskaper, främst draghållfasthet och modul. Höghållfasta typer har en styrka på 2000 MPa och en modul på 250 GPa, medan högmodultyper överstiger 300 GPa. Typer med ultrahög hållfasthet har en hållfasthet större än 4000 MPa, och typer med ultrahög modul har en modul större än 450 GPa.

Aktuella tillämpningar av kolfiberkompositer inom fordonsområdet

Med ökande krav på grön energi och effektivitet fortsätter nivån på fordonslättvikt att stiga. Enligt data från European Aluminium Association kan en minskning av ett fordons vikt med 10 % förbättra energieffektiviteten med 6 % till 8 % och minska utsläppen av föroreningar med 10 % per 100 kilometer. För nya energifordon kan en viktminskning med 100 kg öka deras räckvidd med cirka 6 % till 11 %.

Lätta och höghållfasta kolfiberkompositer har ett brett användningsområde i bilar. Tabell 2 listar några fordonsmodeller som använder kolfiberkompositer, och figur 2 visar marknadsstorleken och prognosen för den globala kolfibermarknaden för fordon, som förväntas nå 20 100 ton år 2025.

Tillämpningar av kolfiberkompositer vid vätelagring

På grund av sin höga hållfasthet, korrosionsbeständighet, utmattningsbeständighet, goda flamskydd och dimensionsstabilitet är kolfiberkompositer idealiska material för vätgaslagring i nya energifordon och lättviktsbatteripaket.

Högtrycksvätelagringstankar

Högtrycksgasflaskor är den allmänt använda metoden för vätgaslagring av inhemska och internationella tillverkare. Beroende på material klassificeras högtrycksvätgaslagringstankar i typ I, II, III och IV, tillverkade av rent stål, stålfoder med fiberomslag, metallfoder med fiberomslag respektive plastfoder med fiberomslag, som visas i figur 3.

Tabell 3 jämför prestanda för olika typer av vätgaslagringstankar. Högtrycksvätgaslagring kan delas upp i fast högtryckslagring, lätt fordonsmonterad högtryckslagring och transport högtryckslagring. Fasta högtryckslagringstankar, typiskt stålvätgastankar och ståltryckkärl, används främst vid vätgastankstationer, vilket erbjuder låg kostnad och mogen utveckling.

Fordonsmonterade lätta högtryckslagringstankar använder i första hand aluminiumlegeringar eller plastfoder med kolfiberomslag för att förbättra den strukturella styrkan och minska den totala vikten. Internationellt används 70 MPa kolfiberlindade typ IV-tankar i stor utsträckning i vätgasbränslecellfordon, medan 35 MPa kolfiberlindade typ III-tankar är vanligare på hemmaplan, med färre applikationer för 70 MPa kolfiberlindade typ III-tankar.

Kolfiberkompositer i fordonsmonterade högtrycksvätgastankar

Tankar av typ III och IV är huvudströmmen för fordonsmonterad högtrycksvätgaslagring, huvudsakligen bestående av liners och fiberlindade lager. Figur 4 visar ett tvärsnitt av en kolfiberkomposit typ IV högtrycksvätelagringstank. Fiberkompositerna, lindade spiralformigt och ringformigt runt fodret, ökar i första hand fodrets strukturella styrka.

För närvarande inkluderar de vanliga fibrerna som används i fordonsmonterade högtrycksvätelagringstankar kolfibrer, glasfibrer, kiselkarbidfibrer, aluminiumoxidfibrer, aramidfibrer och poly(p-fenylenbensobisoxazol)-fibrer. Bland dessa blir kolfibrer gradvis det vanliga fibermaterialet på grund av deras utmärkta egenskaper.

Inhemskt släpar utvecklingen av högtryckstankar för vätgas efter internationella framsteg. USA, Kanada och Japan har uppnått massproduktion av 70 MPa vätelagringstankar och har börjat använda typ IV-tankar. Amerikanska företag som General Motors förbättrar strukturen hos kolfiberlindade lager, medan kanadensiska Dynetek förbättrar lindnings- och övergångsskikten, vilket förbättrar den sammansatta styrkan hos kolfibrer med hartsmatriser. Men på grund av problem som plast- och metalltätning tillåter kinesiska regler för närvarande inte att de används i stor utsträckning.

Inhemska institutioner som Zhejiang University och Tongji University har framgångsrikt utvecklat 70 MPa vätelagringstankar, och företag som Blue Sky Energy under Bohong Energy har brutit igenom 70 MPa fordonsvätelagringssystemet. Dessutom har företag som Shenyang Starling, Beijing Ketaike och Beijing Tianhai också utvecklat och testat 70 MPa vätelagringstankar.

På grund av den omogna tekniken och svårigheten med massproduktion av 70 MPa kolfiberlindade typ IV-tankar på hemmaplan, hämmar de höga förberedelsekostnaderna kraftigt efterfrågan och utvecklingen av typ IV-tankar. Enligt forskning från U.S. Automotive Research Council, ju större produktionsskalan av högtrycksvätgaslagringstankar är, desto lägre blir kostnaderna. När produktionsskalan ökar från 10 000 till 500 000 set kan kostnaderna sjunka med en femtedel. Därför, med framsteg inom förberedelsetekniken och expansionen av produktionsskalan, kommer kolfiberlindade fordonsmonterade högtryckstankar för vätgas på hög nivå att glänsa i framtiden.

Tillämpningar av kolfiberkompositer i batterihöljen

Utveckling av batteripaket

Stabiliteten och säkerheten hos nya energibatterier har alltid varit fokuspunkter. Batterikapslingar är nyckelkomponenter i det nya energifordonsbatterisystemet, nära relaterade till det elektriska systemet och fordonssäkerheten. Batteripaketet, täckt av höljet, utgör huvuddelen av batteripaketet.

Batteripaketets hölje spelar en avgörande roll för säker drift och skydd av batterimoduler, och kräver material med korrosionsbeständighet, isolering, motståndskraft mot normala och låga temperaturer (-25°C) och flamskydd. Figur 5 visar ett nytt batteripaket för energifordon och dess sönderdelning.

Som bärare av batterimoduler säkerställer batteripaketets hölje stabil drift och säkerhetsskydd för batterimodulerna, vanligtvis installerade i botten av fordonet för att skydda litiumbatterier från skador på grund av externa kollisioner och kompressioner. Traditionella batterihöljen för fordon är gjutna av material som stålplåtar och aluminiumlegeringar, med ytbeläggningar för skydd. Med utvecklingen av energisnåla och lätta fordon har batterihöljesmaterial sett lätta alternativ som glasfiberförstärkta kompositer, plåtformningsblandningar och kolfiberförstärkta kompositer.

Kapslingar av stålbatteripaket är de ursprungliga materialen som används för kraftbatteripaket, vanligtvis gjorda av svetsade stålplåtar, som erbjuder hög hållfasthet och styvhet men också hög densitet och massa, vilket kräver ytterligare korrosionsskyddsprocesser. Kapslingar av aluminiumlegering är det vanliga materialet för batteripaket, och erbjuder lättvikt (endast 35 % av ståldensiteten), enkel bearbetning och formning och korrosionsbeständighet.

Med utvecklingen av lättviktsfordon och utvecklingen av härdplastgjutningstekniker används gradvis nya plaster och kompositer som batteripackmaterial. Värmehärdande plastbatteripaket väger 35 kg, cirka 35 % lättare än metallhöljen, och kan bära 340 kg batterier.

Utsikter för kolfiberkompositer i batteripaket

Kolfiberkompositer, med sina många fördelar, har blivit idealiska substitut för traditionella metallbatterikapslingar och har redan sett preliminära tillämpningar i vissa fordonsmodeller. Till exempel utvecklade NIO, i samarbete med tyska SGL Carbon, ett 84 kWh kolfiberbatteri, vilket minskade skalets vikt med 40 % jämfört med aluminiumstrukturer, med en energitäthet som överstiger 180 (W·h)/kg. Tianjin Institute of Advanced Technology och Lishen utvecklade tillsammans ett batteripaket av kolfiberkomposit som väger cirka 24 kg, vilket minskar vikten med 50 % jämfört med aluminiumlegeringsstrukturer, med en energitäthet på upp till 210 (W·h)/kg.

Forskare som Duan Duanxiang et al. har utfört lättviktskonstruktioner och skiktprocessoptimeringar för batteripaket av kolfiberkomposit, vilket minskar kapslingens vikt med 66 % jämfört med stålkonstruktioner samtidigt som de uppfyller relevanta arbetsförhållanden. Zhao Xiaoyu et al. använde kolfiberkompositer och den styvhetsekvivalenta designmetoden för lättviktsbatteripaket, vilket uppnådde en viktminskning på 64 % till 67,6 % jämfört med stålkonstruktioner.

LIU et al. åtgärdade lättviktsdesignproblemet med kolfiberkompositbatteripaketets övre höljen med RBDO-metoden, vilket uppnådde en viktminskning på 22,14 % samtidigt som prestandakraven uppfylldes. Tan Lizhong et al. jämförde tre lösningar: ett 1,5 mm tjockt övre hölje av aluminium (schema 1), ett 1,5 mm tjockt övre hölje av kolfiber (schema 2) och en 0,5 mm kolfiber 3 mm tjock bikakepanel 0,5 mm tjock kolfiberkomposit övre kåpa (Schema 3). De fann att Schema 3 var optimalt, vilket minskade vikten med 31 % jämfört med Schema 1.

Metall-liner-fiberlindade tankar (typ III) och plast-liner-fiberlindade tankar (typ IV) är de vanliga fiberkomposit-omslagna gasflaskorna. Fibrer såsom glasfiber, kiselkarbidfiber, aluminiumoxidfiber, borfiber, kolfiber, aramidfiber och poly(p-fenylenbensobisoxazol)-fiber har använts för att tillverka fiberkompositomslagna gascylindrar. Lätta, slagtåliga och flamskyddade fiberkompositer förväntas också bli viktiga material för framtida lättviktsbatteripaket.

Men på grund av kostnadsbegränsningar har högpresterande fiberkompositer som domineras av kolfiberkompositer inte använts i stor utsträckning i batteripaket. Man tror att med utvecklingen av ny energi och expansionen av fiberkompositapplikationer kommer kostnaden för att använda fiberkompositer gradvis att minska. Fiberkompositer kommer att lysa på den framtida nya energimarknaden.