碳纖維復(fù)材在氫氣儲(chǔ)存和電池包殼體的應(yīng)用現(xiàn)狀

能源汽車(chē)氫能儲(chǔ)存及電池包殼體的應(yīng)用現(xiàn)狀及研究進(jìn)展，討論高壓儲(chǔ)氣瓶及電池包殼體的分類(lèi)及發(fā)展趨勢(shì)，分析當(dāng)前碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)，并展望未來(lái)高性能纖維復(fù)合材料在新能源汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用與前景。使用輕質(zhì)材料來(lái)降低汽車(chē)質(zhì)量已成為實(shí)現(xiàn)新能源汽車(chē)輕量化的重要途徑之一。隨著材料領(lǐng)域的不斷發(fā)展，玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等多種輕量化的纖維復(fù)合材料開(kāi)始應(yīng)用在新能源汽車(chē)領(lǐng)域。低密度、高強(qiáng)度、耐腐蝕、耐疲勞的碳纖維復(fù)合材料是汽車(chē)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的高性能纖維復(fù)合材料，在汽車(chē)眾多系統(tǒng)部位都有著大量應(yīng)用，比如：車(chē)體的車(chē)門(mén)、車(chē)頂?shù)龋话l(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中的推桿、搖桿、水泵葉輪；傳動(dòng)系統(tǒng)中的傳動(dòng)軸、離合器葉片；底盤(pán)系統(tǒng)中的車(chē)底框架、懸置件、彈簧片等。隨著新能源汽車(chē)的快速發(fā)展，其動(dòng)力能量的安全儲(chǔ)存問(wèn)題一直是研究關(guān)注的熱點(diǎn)，氫能源汽車(chē)的高壓儲(chǔ)氣瓶及電動(dòng)汽車(chē)電池包殼體是目前新能源汽車(chē)能量?jī)?chǔ)存的主流方式，優(yōu)點(diǎn)眾多的碳纖維復(fù)合材料在此領(lǐng)域也開(kāi)始嶄露頭角。1碳纖維簡(jiǎn)介

碳纖維一般不會(huì)直接使用，通常作為增強(qiáng)體，與樹(shù)脂基體、金屬基體、陶瓷基體等結(jié)合形成碳纖維復(fù)合材料。圖1為碳纖維布及碳纖維復(fù)合材料型材實(shí)物圖。碳纖維具備以下優(yōu)點(diǎn)：①低密度、高強(qiáng)度，密度僅為1.5~2.0g/cm3

，相當(dāng)于輕質(zhì)鋁合金密度的1/2，強(qiáng)度是鋼的4~5倍、鋁的6~7倍；②耐高溫、耐低溫，碳纖維的熱彈性系數(shù)小，在3000℃非氧化氣氛下不融化、不軟化，在液氨溫度下依然不脆化；③良好的導(dǎo)電性，25℃時(shí)，高模量碳纖維的比電阻為775Ω·cm，高強(qiáng)度碳纖維的比電阻為1500Ω·cm；④耐酸腐蝕，碳纖維耐濃鹽酸、磷酸、硫酸等腐蝕。按照原絲種類(lèi)、力學(xué)性能、絲束大小可以將碳纖維分成以下幾類(lèi)，具體見(jiàn)表1。碳纖維通常作為增強(qiáng)材料使用，因此實(shí)際使用中通常按照力學(xué)性能進(jìn)行分類(lèi)，主要依照拉伸強(qiáng)度和模量進(jìn)行分類(lèi)，高強(qiáng)型的強(qiáng)度為2000

MPa、模量為250GPa，高模型的模量在300GPa以上，超高強(qiáng)型的強(qiáng)度大于4000MPa，超高模型的模量大于450GPa。2碳纖維復(fù)合材料在汽車(chē)領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著綠色節(jié)能要求的提高，汽車(chē)輕量化水平不斷提高。根據(jù)歐洲鋁協(xié)數(shù)據(jù)，當(dāng)汽車(chē)質(zhì)量降低10%時(shí)，能源使用效率將提高6%~8%，百公里排放污染物降低10%。而對(duì)于新能源汽車(chē)，100kg的質(zhì)量減小相應(yīng)可以增加其續(xù)航能力約6%~11%。輕質(zhì)高強(qiáng)的碳纖維復(fù)合材料在汽車(chē)上有著豐富的應(yīng)用，表2為部分車(chē)型應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料的情況，圖2為中泰證券研究所2020年對(duì)全球汽車(chē)碳纖維市場(chǎng)規(guī)模及預(yù)測(cè)統(tǒng)計(jì)，預(yù)計(jì)到2025年全球車(chē)用碳纖維市場(chǎng)規(guī)模可達(dá)2.01萬(wàn)t。3碳纖維復(fù)合材料在氫能儲(chǔ)存領(lǐng)域的應(yīng)用

碳纖維復(fù)合材料以其強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐疲勞、阻燃性好及結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性好的特點(diǎn)成為新能源汽車(chē)氫氣儲(chǔ)存、輕質(zhì)動(dòng)力電池包殼體的理想替代材料。3.1

高壓儲(chǔ)氫瓶的應(yīng)用場(chǎng)景用高壓儲(chǔ)氣瓶來(lái)實(shí)現(xiàn)氫氣的儲(chǔ)存和釋放是目前國(guó)內(nèi)外廠商廣泛應(yīng)用的儲(chǔ)氫方式。根據(jù)材質(zhì)的不同，高壓儲(chǔ)氫瓶分為I型、II型、III型及IV型瓶，其材質(zhì)分別為純鋼制、鋼制內(nèi)膽纖維纏繞、金屬內(nèi)膽纖維纏繞及塑料內(nèi)膽纖維纏繞瓶，如圖3所示。表3為不同類(lèi)型儲(chǔ)氫瓶的性能對(duì)比。高壓儲(chǔ)氫一般可以分為固定式高壓儲(chǔ)氫、車(chē)載輕質(zhì)高壓儲(chǔ)氫和運(yùn)輸用高壓儲(chǔ)氫。固定式高壓儲(chǔ)氫瓶一般指鋼制氫瓶和鋼制壓力容器，主要應(yīng)用于加氫站，成本較低，發(fā)展成熟。車(chē)載輕質(zhì)高壓儲(chǔ)氫瓶的主流技術(shù)是以鋁合金/塑料作為內(nèi)膽，碳纖維作為外層包覆，兼顧提升氫瓶的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和減輕整體質(zhì)量，目前國(guó)外氫燃料電池汽車(chē)已經(jīng)廣泛使用70MPa碳纖維纏繞IV型瓶，國(guó)內(nèi)大多為35MPa碳纖維纏繞III型瓶，而70MPa碳纖維纏繞III型瓶應(yīng)用較少。3.2

碳纖維復(fù)合材料在車(chē)載高壓儲(chǔ)氫氣瓶的應(yīng)用Ⅲ型和Ⅳ型瓶是車(chē)載儲(chǔ)高壓氫氣瓶的主流氣瓶，主要由內(nèi)膽和纖維纏繞層組成。圖4為碳纖維復(fù)合材料IV型高壓儲(chǔ)氫瓶剖視圖。以螺旋和環(huán)箍的方式纏繞在內(nèi)膽外圍的纖維復(fù)合材料主要起到增加內(nèi)膽結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的作用。目前用于車(chē)載高壓儲(chǔ)氫氣瓶常見(jiàn)的纖維有碳纖維、玻璃纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維、芳綸和聚對(duì)苯撐苯并二噁唑纖維等多種纖維，其中碳纖維以其出色的性能逐漸成為主流纖維原料。目前在車(chē)高壓儲(chǔ)氫氣瓶領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)較國(guó)外發(fā)展仍有一定差距。美國(guó)、加拿大、日本等國(guó)家已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了70MPa儲(chǔ)氫瓶量產(chǎn)并開(kāi)始使用Ⅳ型儲(chǔ)氫瓶。美國(guó)通用汽車(chē)公司主要通過(guò)增強(qiáng)碳纖維纏繞層結(jié)構(gòu)，加拿大Dynetek公司主要通過(guò)改進(jìn)纏繞層和過(guò)渡層，加強(qiáng)了碳纖維與樹(shù)脂基體復(fù)合的強(qiáng)度。但由于塑料與金屬密封等問(wèn)題，中國(guó)法規(guī)目前尚未允許其推廣使用。國(guó)內(nèi)浙江大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)已成功研制了70MPa儲(chǔ)氫氣瓶，博肯節(jié)能旗下蘭天達(dá)突破了70MPa車(chē)用儲(chǔ)氫系統(tǒng)。此外，沈陽(yáng)斯達(dá)林公司、北京科泰克和北京天海也陸續(xù)研制并進(jìn)行70MPa儲(chǔ)氫氣瓶的試驗(yàn)。目前，由于國(guó)內(nèi)70MPa碳纖維纏繞IV型瓶的制備技術(shù)不成熟、規(guī)?；a(chǎn)難度大，導(dǎo)致制備成本相對(duì)較高，極大抑制了IV型瓶的需求和發(fā)展。根據(jù)美國(guó)汽車(chē)研究理事會(huì)研究發(fā)現(xiàn)，高壓儲(chǔ)氫瓶生產(chǎn)規(guī)模越大，成本也就越低，當(dāng)生產(chǎn)規(guī)模由1萬(wàn)套提高到50萬(wàn)套時(shí)，成本會(huì)下降五分之一。因此，隨著制備技術(shù)的發(fā)展及生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，高級(jí)別碳纖維纏繞車(chē)載高壓儲(chǔ)氫氣瓶在未來(lái)必然會(huì)大放光彩。4碳纖維復(fù)合材料在電池包殼體的應(yīng)用

4.1

電池包殼體的發(fā)展新能源動(dòng)力電池穩(wěn)定性和安全性一直以來(lái)都是備受人們關(guān)注的焦點(diǎn)。電池包殼體是新能源汽車(chē)電池系統(tǒng)的組成部分，由于其與電氣系統(tǒng)和汽車(chē)安全緊密相關(guān)，也是新能源汽車(chē)的關(guān)鍵零部件。動(dòng)力電池包是新能源汽車(chē)的動(dòng)力源，由殼體包覆電池模塊而構(gòu)成電池包主體。電池包殼體對(duì)電池模塊的安全工作和防護(hù)起著關(guān)鍵作用，要求其材料具有防腐蝕、絕緣、耐常溫和低溫(-25℃)沖擊以及阻燃等特性。圖5為新能源車(chē)動(dòng)力電池包及電池包分解圖。作為電池模塊的承載體，電池包殼體對(duì)電池模塊的穩(wěn)定工作和安全防護(hù)起著關(guān)鍵作用，一般是安裝在車(chē)體下部，主要用于保護(hù)鋰電池在受到外界碰撞、擠壓時(shí)不被損壞。傳統(tǒng)車(chē)用電池箱體采用鋼板、鋁合金等材料鑄造，然后對(duì)其表面進(jìn)行噴涂處理。隨著汽車(chē)節(jié)能環(huán)保和輕量化發(fā)展，電池殼體材料也出現(xiàn)了玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、片狀模塑料、碳纖增強(qiáng)復(fù)合材料等多種輕量化的材料選擇。鋼制電池包殼體是最原始的動(dòng)力電池包殼體材料，一般采用鑄造鋼板焊接而成，具備強(qiáng)度高、剛性高的優(yōu)點(diǎn)，但其密度大、質(zhì)量大，需要增加防腐蝕工藝。鋁合金殼體是目前主流的動(dòng)力電池包殼體材料，具有輕質(zhì)(密度僅為鋼的35%)、易加工成型、耐腐蝕等特點(diǎn)。隨著汽車(chē)的輕量化發(fā)展，以及熱固性塑料成型技術(shù)的開(kāi)發(fā)，新型塑料及復(fù)合材料開(kāi)始逐漸被用作電池包殼體材料。熱固性塑料電池包殼體自身質(zhì)量為35kg，比金屬箱體的質(zhì)量約小35%，可承載質(zhì)量為340kg的電池。4.2

電池包殼體的發(fā)展具備眾多優(yōu)點(diǎn)的碳纖維復(fù)合材料已成為傳統(tǒng)金屬材質(zhì)電池箱體的理想替代品，在部分車(chē)型上已有了初步應(yīng)用。蔚來(lái)與德國(guó)SGLCarbon聯(lián)合開(kāi)發(fā)了84kW·h碳纖維電池包，該碳纖維殼體質(zhì)量比鋁結(jié)構(gòu)減小40%，能量密度大于180(W·h)/kg。天津中科先進(jìn)技術(shù)研究院與力神合作開(kāi)發(fā)的碳纖維復(fù)合材料電池包殼體的總質(zhì)量約為24kg，較鋁合金結(jié)構(gòu)質(zhì)量減小50%，能量密度高達(dá)210(W·h)/kg。段端詳?shù)葘?duì)碳纖維復(fù)合材料電池包殼體進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)和鋪層工藝優(yōu)化，在滿足相關(guān)工況條件下，得到的殼體質(zhì)量較鋼結(jié)構(gòu)減小了66%。趙曉昱等采用碳纖維復(fù)合材料，利用剛度等效設(shè)計(jì)法對(duì)電池包殼體進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，相比于鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量減小64%～67.6%。LIU等采用RBDO方法解決碳纖維復(fù)合材料電池包殼體上蓋輕量化設(shè)計(jì)問(wèn)題，在性能滿足要求的情況下，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量減小22.14%。譚禮忠等對(duì)1.5mm厚度鋁上蓋(方案一)、1.5mm厚碳纖維上蓋(方案二)和0.5mm碳纖維+3mm厚蜂板+0.5mm厚碳纖維復(fù)合上蓋(方案三)三種方案進(jìn)行對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)方案三為最優(yōu)，相對(duì)于方案一可減小質(zhì)量31%。5結(jié)語(yǔ)

金屬內(nèi)膽纖維纏繞瓶(III型)和塑料內(nèi)膽纖維纏繞瓶(IV型)是纖維復(fù)合材料纏繞制造的主流氣瓶。玻璃纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維、硼纖維、碳纖維、芳綸和聚對(duì)苯撐苯