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2024-03-12

碳纤维复材在氢气储存和电池包壳体的应用现状

作者:    点击:117

摘要

通过调研碳纤维复合材料在新能源汽车氢能储存及电池包壳体的应用现状及研究进展,讨论高压储气瓶及电池包壳体的分类及发展趋势,分析当前碳纤维复合材料应用的优缺点,并展望未来高性能纤维复合材料在新能源汽车领域的应用与前景。

使用轻质材料来降低汽车质量已成为实现新能源汽车轻量化的重要途径之一。随着材料领域的不断发展,玻璃纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料等多种轻量化的纤维复合材料开始应用在新能源汽车领域。

低密度、高强度、耐腐蚀、耐疲劳的碳纤维复合材料是汽车领域应用最为广泛的高性能纤维复合材料,在汽车众多系统部位都有着大量应用,比如:车体的车门、车顶等;发动机系统中的推杆、摇杆、水泵叶轮;传动系统中的传动轴、离合器叶片;底盘系统中的车底框架、悬置件、弹簧片等。

随着新能源汽车的快速发展,其动力能量的安全储存问题一直是研究关注的热点,氢能源汽车的高压储气瓶及电动汽车电池包壳体是目前新能源汽车能量储存的主流方式,优点众多的碳纤维复合材料在此领域也开始崭露头角。














01

碳纤维简介 

碳纤维一般不会直接使用,通常作为增强体,与树脂基体、金属基体、陶瓷基体等结合形成碳纤维复合材料 。图1为碳纤维布及碳纤维复合材料型材实物图。

碳纤维具备以下优点:①低密度、高强度,密度仅为1.5~2.0 g/cm3 ,相当于轻质铝合金密度的1/2,强度是钢的4~5倍、铝的6~7倍;②耐高温、耐低温,碳纤维的热弹性系数小,在3000℃非氧化气氛下不融化、不软化,在液氨温度下依然不脆化;③良好的导电性,25℃时,高模量碳纤维的比电阻为775Ω · cm,高强度碳纤维的比电阻为1500Ω · cm;④耐酸腐蚀,碳纤维耐浓盐酸、磷酸、硫酸等腐蚀。

按照原丝种类、力学性能、丝束大小可以将碳纤维分成以下几类,具体见表1。

碳纤维通常作为增强材料使用,因此实际使用中通常按照力学性能进行分类,主要依照拉伸强度和模量进行分类,高强型的强度为2000 MPa、模量为250GPa,高模型的模量在300GPa以上,超高强型的强度大于4000MPa,超高模型的模量大于450GPa。


02

碳纤维复合材料在汽车领域应用现状   

随着绿色节能要求的提高,汽车轻量化水平不断提高。根据欧洲铝协数据,当汽车质量降低10%时,能源使用效率将提高6%~8%,百公里排放污染物降低10%。而对于新能源汽车,100kg的质量减小相应可以增加其续航能力约6%~11%。

轻质高强的碳纤维复合材料在汽车上有着丰富的应用,表2为部分车型应用碳纤维复合材料的情况,图2为中泰证券研究所2020年对全球汽车碳纤维市场规模及预测统计,预计到2025年全球车用碳纤维市场规模可达2.01万t。


03

碳纤维复合材料在氢能储存领域的应用   

碳纤维复合材料以其强度高、耐腐蚀、耐疲劳、阻燃性好及结构尺寸稳定性好的特点成为新能源汽车氢气储存、轻质动力电池包壳体的理想替代材料。

3.1 高压储氢瓶的应用场景

用高压储气瓶来实现氢气的储存和释放是目前国内外厂商广泛应用的储氢方式。根据材质的不同,高压储氢瓶分为I型、II型、III型及IV型瓶,其材质分别为纯钢制、钢制内胆纤维缠绕、金属内胆纤维缠绕及塑料内胆纤维缠绕瓶,如图3所示。

表3为不同类型储氢瓶的性能对比。高压储氢一般可以分为固定式高压储氢、车载轻质高压储氢和运输用高压储氢。固定式高压储氢瓶一般指钢制氢瓶和钢制压力容器,主要应用于加氢站,成本较低,发展成熟。

车载轻质高压储氢瓶的主流技术是以铝合金/塑料作为内胆,碳纤维作为外层包覆,兼顾提升氢瓶的结构强度和减轻整体质量,目前国外氢燃料电池汽车已经广泛使用70 MPa碳纤维缠绕IV 型瓶,国内大多为35 MPa 碳纤维缠绕III 型瓶,而70 MPa碳纤维缠绕III型瓶应用较少。

3.2  碳纤维复合材料在车载高压储氢气瓶的应用

Ⅲ型和Ⅳ型瓶是车载储高压氢气瓶的主流气瓶,主要由内胆和纤维缠绕层组成。图4为碳纤维复合材料IV型高压储氢瓶剖视图。以螺旋和环箍的方式缠绕在内胆外围的纤维复合材料主要起到增加内胆结构强度的作用。

目前用于车载高压储氢气瓶常见的纤维有碳纤维、玻璃纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、芳纶和聚对苯撑苯并二噁唑纤维等多种纤维,其中碳纤维以其出色的性能逐渐成为主流纤维原料。

目前在车高压储氢气瓶领域,国内较国外发展仍有一定差距。美国、加拿大、日本等国家已经实现了70MPa储氢瓶量产并开始使用Ⅳ型储氢瓶。美国通用汽车公司主要通过增强碳纤维缠绕层结构,加拿大Dynetek公司主要通过改进缠绕层和过渡层,加强了碳纤维与树脂基体复合的强度。但由于塑料与金属密封等问题,中国法规目前尚未允许其推广使用。

国内浙江大学、同济大学已成功研制了70MPa储氢气瓶,博肯节能旗下兰天达突破了70MPa车用储氢系统。此外,沈阳斯达林公司、北京科泰克和北京天海也陆续研制并进行70MPa储氢气瓶的试验。

目前,由于国内70MPa碳纤维缠绕IV型瓶的制备技术不成熟、规模化生产难度大,导致制备成本相对较高,极大抑制了IV型瓶的需求和发展。根据美国汽车研究理事会研究发现,高压储氢瓶生产规模越大,成本也就越低,当生产规模由1万套提高到50万套时,成本会下降五分之一。因此,随着制备技术的发展及生产规模的扩大,高级别碳纤维缠绕车载高压储氢气瓶在未来必然会大放光彩。


04

碳纤维复合材料在电池包壳体的应用   

4.1 电池包壳体的发展

新能源动力电池稳定性和安全性一直以来都是备受人们关注的焦点。电池包壳体是新能源汽车电池系统的组成部分,由于其与电气系统和汽车安全紧密相关,也是新能源汽车的关键零部件。动力电池包是新能源汽车的动力源,由壳体包覆电池模块而构成电池包主体。

电池包壳体对电池模块的安全工作和防护起着关键作用,要求其材料具有防腐蚀、绝缘、耐常温和低温(-25 ℃)冲击以及阻燃等特性。图5为新能源车动力电池包及电池包分解图。

作为电池模块的承载体,电池包壳体对电池模块的稳定工作和安全防护起着关键作用,一般是安装在车体下部,主要用于保护锂电池在受到外界碰撞、挤压时不被损坏。传统车用电池箱体采用钢板、铝合金等材料铸造,然后对其表面进行喷涂处理。随着汽车节能环保和轻量化发展,电池壳体材料也出现了玻璃纤维增强复合材料、片状模塑料、碳纤增强复合材料等多种轻量化的材料选择。

钢制电池包壳体是最原始的动力电池包壳体材料,一般采用铸造钢板焊接而成,具备强度高、刚性高的优点,但其密度大、质量大,需要增加防腐蚀工艺。铝合金壳体是目前主流的动力电池包壳体材料,具有轻质(密度仅为钢的 35%)、易加工成型、耐腐蚀等特点。

随着汽车的轻量化发展,以及热固性塑料成型技术的开发,新型塑料及复合材料开始逐渐被用作电池包壳体材料。热固性塑料电池包壳体自身质量为35kg,比金属箱体的质量约小35%,可承载质量为340kg的电池。

4.2 电池包壳体的发展

具备众多优点的碳纤维复合材料已成为传统金属材质电池箱体的理想替代品,在部分车型上已有了初步应用。蔚来与德国SGL Carbon联合开发了84kW·h碳纤维电池包,该碳纤维壳体质量比铝结构减小40%,能量密度大于180 (W·h)/kg。天津中科先进技术研究院与力神合作开发的碳纤维复合材料电池包壳体的总质量约为24kg,较铝合金结构质量减小50%,能量密度高达210 (W·h)/kg。

段端详等对碳纤维复合材料电池包壳体进行了轻量化设计和铺层工艺优化,在满足相关工况条件下,得到的壳体质量较钢结构减小了66%。赵晓昱等采用碳纤维复合材料,利用刚度等效设计法对电池包壳体进行轻量化设计,相比于钢结构质量减小64%~67.6%。

LIU等采用RBDO方法解决碳纤维复合材料电池包壳体上盖轻量化设计问题,在性能满足要求的情况下,实现质量减小22.14%。谭礼忠等对1.5mm厚度铝上盖(方案一)、1.5mm厚碳纤维上盖(方案二)和0.5 mm碳纤维+3mm厚蜂板+0.5mm厚碳纤维复合上盖(方案三)三种方案进行对比研究,发现方案三为最优,相对于方案一可减小质量31%。


05

结语  

金属内胆纤维缠绕瓶(III型)和塑料内胆纤维缠绕瓶(IV型)是纤维复合材料缠绕制造的主流气瓶。玻璃纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、硼纤维、碳纤维、芳纶和聚对苯撑苯并二噁唑纤维等纤维均已用于制造纤维复合材料缠绕气瓶,耐冲击、阻燃、轻质的纤维复合材料同样也会成为未来轻质动力电池包壳体的重要材料。

但受限于成本问题,目前以碳纤维复合材料为主的高性能纤维复合材料在电池包壳体领域并未得到大面积应用,相信随着新能源的发展以及纤维复合材料应用的扩大,纤维复合材料的使用成本将逐步降低,未来新能源市场上纤维复合材料也会大放光彩。


备注:文章转载自中国复合材料学会,如有侵权,请联系小编删除。


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