Abstrakt:

Den här artikeln undersöker status quo och forskningsutvecklingen av kolfiberförstärkta material i vätgaslagring och EV-batterihöljen inom området för nya energifordon. Den bedömer klassificeringarna och trenderna för högtrycksgasflaskor och batterihöljen, fördjupar sig i för- och nackdelar med kolfibermaterial i deras nuvarande användningsområden, och förutser tillämpningarna och utsikterna för dessa avancerade material i det framtida landskapet för nya energifordon.

Övergången till lättviktsmaterial för att minska den totala vikten har blivit en nyckelstrategi för att främja lättviktsutvecklingen av nya energifordon. Framsteg inom materialvetenskap har lett till antagandet av olika lätta fiberkompositer, inklusive glas- och kolfiberförstärkta material, i den nya energifordonsindustrin.

Kolfiberkompositer, kända för sin låga densitet, höga hållfasthet, korrosionsbeständighet och utmattningshållfasthet, är bland de mest använda högpresterande fiberkompositerna inom bilsektorn. Deras tillämpningar spänner över flera fordonssystem, inklusive kaross, motor, transmission och chassi, vilket förbättrar fordonets prestanda och säkerhet.

01 Kolfiberöversikt

Kolfibrer används vanligtvis inte direkt utan som förstärkning, i kombination med harts, metall eller keramiska matriser för att bilda kolfiberkompositer. Dessa fibrer erbjuder betydande fördelar: (1) låg densitet och hög hållfasthet, med en densitet på endast 1,5~2,0 g/cm³, hälften av lätta aluminiumlegeringar, och 4~5gånger styrkan hos stål och 6~7 gånger den hos aluminium; (2) motståndskraft mot höga och låga temperaturer, bibehållande av integritet i icke-oxiderande atmosfärer upp till 3000°C och inte bli spröda vid temperaturer av flytande ammoniak; (3) utmärkt elektrisk ledningsförmåga, med en resistivitet på 775 Ω·cm för kolfibrer med hög modul och 1500 Ω·cm för höghållfasta fibrer vid 25°C; (4) syrakorrosionsbeständighet, som tål koncentrerad saltsyra, fosforsyra, svavelsyra, etc.

Kolfibrer kan kategoriseras baserat på prekursortyp, mekaniska egenskaper och filamentbuntstorlek. I praktiken beror klassificeringen ofta på draghållfasthet och modul, med höghållfasta typer med hållfastheter på 2000 MPa och moduli på 250 GPa, högmodultyper som överstiger 300 GPa i modul, ultrahöghållfasta typer som överstiger 4000 MPa i hållfasthet, och typer av ultrahög modul som överstiger 450 GPa i modul.

02 Appliceringsstatus för kolfiberkompositer inom fordonsområdet

Strävan efter grön energi och energibesparande åtgärder har kontinuerligt höjt ribban för fordonslättvikt. Enligt European Aluminium Association kan en 10% minskning av fordonsvikten leda till en 6%~8% förbättring av energianvändningseffektiviteten och en 10% minskning av föroreningsutsläppen per hundra kilometer. För nya energifordon kan en minskning av vikten med 100 kg öka deras räckvidd med cirka 6%~11%.

Kolfiberkompositer, kända för sin låga vikt och höga hållfasthet, har funnit omfattande användning i fordon, vilket förbättrar deras prestanda och säkerhet i olika system, inklusive kaross, motor, transmission och chassi.

03

Tillämpningar av kolfiberkompositer vid vätelagring

Med sin höga hållfasthet, korrosionsbeständighet, utmattningsbeständighet, flamskydd och dimensionsstabilitet har kolfiberkompositer blivit idealiska substitut för vätgaslagring i nya energifordon och lätta batterihöljen.

3.1 Appliceringsscenarier för högtrycksvätecylinder

Användningen av högtrycksgasflaskor för vätgaslagring och frigöring är en allmänt använd metod. Beroende på material delas dessa cylindrar in i fyra typer: helt tillverkade av stål, stålfoder med fiberomslag, metallfoder med fiberomslag och plastfoder med fiberomslag. Dessa varierande strukturer och material presenterar olika kostnader, mognadsnivåer och tillämpningsscenarier.

För närvarande är kolfiberförstärkta material det vanliga materialvalet för tillverkning av högtrycksvätelagringscylindrar för fordon, trots utmaningar i teknik och kostnad.

04

Tillämpningar av kolfiberkompositer i batterihöljen

Stabiliteten och säkerheten hos nya energibatterier har alltid varit fokuspunkter i branschen. Batterihöljen, väsentliga för att skydda batterimoduler från yttre stötar, måste uppfylla kraven på korrosionsbeständighet, isolering och temperaturtålighet. Traditionella batterikapslingar är vanligtvis gjorda av stål eller aluminiumlegeringar. Men med tekniska framsteg börjar lättviktsmaterial som kolfiberkompositer att användas, vilket erbjuder nya möjligheter för utveckling av nya energifordon.

05

Slutsats

Högtrycksgasflaskor med metall- och plastfoder inslagna i fiber är huvudströmmen inom nuvarande tillverkningsteknik. Kolfiber, med sina exceptionella egenskaper, visar stor potential vid tillverkning av högtrycksgasflaskor och batterikapslingar. Men på grund av kostnadsbegränsningar är det ännu inte realiserat en omfattande tillämpning av dessa avancerade material i batterihöljen. När ny energiteknik utvecklas och kostnaderna för materialtillämpningar minskar, är kolfiberkompositer redo att spela en betydande roll i framtiden.