В этой статье исследуются текущие области применения и прогресс исследований композитов из углеродного волокна в хранилищах водорода и аккумуляторных батареях для транспортных средств на новых источниках энергии. В нем обсуждаются классификация и тенденции развития газовых баллонов высокого давления и корпусов аккумуляторных батарей, анализируются преимущества и недостатки композитов из углеродного волокна, а также прогнозируются будущие применения и перспективы высокоэффективных волокнистых композитов в области транспортных средств на новой энергии.

Обзор композитов из углеродного волокна

Использование легких материалов для снижения веса транспортных средств стало решающим методом достижения облегчения транспортных средств на новых источниках энергии. Благодаря постоянному развитию материаловедения различные легкие волокнистые композиты, такие как композиты, армированные стекловолокном и композиты, армированные углеродным волокном, начали использоваться в области транспортных средств на новой энергии.

Композиты из углеродного волокна, известные своей низкой плотностью, высокой прочностью, коррозионной стойкостью и усталостной стойкостью, являются наиболее широко используемыми высокоэффективными волокнистыми композитами в автомобильном секторе. Они широко используются в различных автомобильных системах, таких как двери и крыши кузова автомобиля, толкатели и коромысла в системе двигателя, приводные валы и лопатки сцепления в системе трансмиссии, а также в компонентах шасси, таких как рамы днища и детали подвески.

В связи с быстрым развитием новых энергетических транспортных средств, безопасное хранение их энергии стало ключевым направлением исследований. Газовые баллоны высокого давления для транспортных средств, работающих на водороде, и аккумуляторные батареи для электромобилей в настоящее время являются основными методами хранения энергии. Композиты из углеродного волокна, обладающие многочисленными преимуществами, начинают приобретать известность в этой области.

Введение в углеродное волокно

Углеродные волокна обычно используются в качестве армирующих материалов в сочетании со смолой, металлом или керамической матрицей для образования композитов из углеродного волокна. На рисунке 1 показаны примеры тканей из углеродного волокна и композитных профилей из углеродного волокна.

Углеродные волокна обладают следующими преимуществами:

1. Низкая плотность и высокая прочность: при плотности всего 1,5–2,0 г/см³ они составляют примерно половину плотности легких алюминиевых сплавов, но в 4–5 раз прочнее стали и в 6–7 раз прочнее алюминия.

2. Устойчивость к высоким и низким температурам: Углеродные волокна не плавятся и не размягчаются в неокисляющей атмосфере при температуре 3000°C и не становятся хрупкими при температурах жидкого азота.

3. Хорошая электропроводность: при 25°C высокомодульные углеродные волокна имеют удельное сопротивление 775Ω·см, а высокопрочные углеродные волокна имеют удельное сопротивление 1500Ω·см.

4. Устойчивость к кислотной коррозии: углеродные волокна устойчивы к коррозии от концентрированной соляной кислоты, фосфорной кислоты и серной кислоты.

В зависимости от типов прекурсоров, механических свойств и размеров пучков нитей углеродные волокна можно разделить на несколько типов, как показано в таблице 1.

Углеродные волокна обычно классифицируются по их механическим свойствам, главным образом по прочности на разрыв и модулю упругости. Высокопрочные типы имеют прочность 2000 МПа и модуль упругости 250 ГПа, а высокомодульные превышают 300 ГПа. Сверхвысокопрочные типы имеют прочность более 4000 МПа, а сверхвысокомодульные - модуль более 450 ГПа.

Текущее применение композитов из углеродного волокна в автомобильной сфере

С ростом спроса на экологически чистую энергию и эффективность уровень легкости автомобилей продолжает расти. По данным Европейской алюминиевой ассоциации, снижение веса автомобиля на 10% может повысить энергоэффективность на 6–8% и снизить выбросы загрязняющих веществ на 10% на 100 километров. Для транспортных средств на новых источниках энергии снижение веса на 100 кг может увеличить запас хода примерно на 6–11%.

Легкие и высокопрочные композиты из углеродного волокна имеют широкий спектр применения в автомобилях. В таблице 2 перечислены некоторые модели транспортных средств, в которых используются композиты из углеродного волокна, а на рисунке 2 показан размер рынка и прогноз мирового рынка автомобильного углеродного волокна, объем которого, как ожидается, достигнет 20 100 тонн к 2025 году.

Применение композитов из углеродного волокна в хранении водорода

Благодаря своей высокой прочности, коррозионной стойкости, усталостной стойкости, хорошей огнестойкости и стабильности размеров композиты из углеродного волокна являются идеальными материалами для хранения водорода в транспортных средствах на новых источниках энергии и в легких корпусах аккумуляторных батарей.

Резервуары для хранения водорода высокого давления

Газовые баллоны высокого давления являются широко распространенным методом хранения водорода отечественными и международными производителями. В зависимости от материалов резервуары для хранения водорода высокого давления подразделяются на типы I, II, III и IV, изготовленные из чистой стали, стальные лейнеры с волокнистой оберткой, металлические лейнеры с волокнистой оберткой и пластиковые лейнеры с волокнистой оберткой соответственно. как показано на рисунке 3.

В Таблице 3 сравниваются характеристики различных типов резервуаров для хранения водорода. Хранилища водорода под высоким давлением можно разделить на стационарные хранилища высокого давления, легкие транспортные хранилища высокого давления и транспортные хранилища высокого давления. Стационарные резервуары для хранения высокого давления, обычно стальные резервуары для водорода и стальные сосуды под давлением, в основном используются на водородных заправочных станциях, предлагая низкую стоимость и зрелую разработку.

В легких резервуарах высокого давления, установленных на транспортных средствах, в основном используются футеровки из алюминиевого сплава или пластика с оберткой из углеродного волокна для повышения прочности конструкции и снижения общего веса. На международном уровне баки типа IV, обернутые углеродным волокном на 70 МПа, широко используются в транспортных средствах на водородных топливных элементах, в то время как внутри страны более распространены баки типа III, обернутые углеродным волокном на 35 МПа, а баки типа III, обернутые 70 МПа углеродным волокном, используются реже.

Композиты из углеродного волокна в автомобильных резервуарах для хранения водорода под высоким давлением

Резервуары типов III и IV являются основным средством хранения водорода под высоким давлением на транспортных средствах и состоят в основном из футеровок и слоев, обернутых волокном. На рисунке 4 показано поперечное сечение резервуара для хранения водорода под высоким давлением из углеродного волокна типа IV. Композитные волокна, намотанные вокруг лейнера спирально и обручем, в первую очередь повышают структурную прочность лейнера.

В настоящее время обычные волокна, используемые в резервуарах для хранения водорода под высоким давлением, устанавливаемых на транспортных средствах, включают углеродные волокна, стеклянные волокна, волокна карбида кремния, волокна оксида алюминия, арамидные волокна и волокна поли(п-фениленбензоизоксазола). Среди них углеродные волокна постепенно становятся основным волокнистым материалом благодаря своим превосходным свойствам.

Внутри страны разработка резервуаров для хранения водорода высокого давления отстает от международных достижений. США, Канада и Япония наладили массовое производство резервуаров для хранения водорода давлением 70 МПа и начали использовать резервуары типа IV. Американские компании, такие как Общий Моторы, совершенствуют структуру слоев, обернутых углеродным волокном, а канадская Дайнетек совершенствует намоточные и переходные слои, повышая прочность композита углеродных волокон с помощью смоляных матриц. Однако из-за таких проблем, как пластиковое и металлическое уплотнение, китайские правила в настоящее время не разрешают их широкое использование.

Отечественные учреждения, такие как Университет Чжэцзян и Университет Тунцзи, успешно разработали резервуары для хранения водорода на 70 МПа, а такие компании, как Синий Небо Энергия под управлением Бохонг Энергия, разработали автомобильную систему хранения водорода на 70 МПа. Кроме того, такие компании, как Шэньян Скворец, Пекин Кетаике и Пекин Тяньхай, также разработали и испытали резервуары для хранения водорода на 70 МПа.

Из-за неразвитой технологии и сложности массового производства резервуаров типа IV, обтянутых углеродным волокном давлением 70 МПа, внутри страны, высокие затраты на подготовку сильно сдерживают спрос и развитие резервуаров типа IV. Согласно исследованиям Совета автомобильных исследований США, чем больше масштабы производства резервуаров для хранения водорода высокого давления, тем ниже затраты. Когда масштаб производства увеличится с 10 000 до 500 000 комплектов, затраты могут снизиться на одну пятую. Таким образом, с развитием технологий подготовки и расширением масштабов производства, автомобильные резервуары для хранения водорода под высоким давлением, обернутые углеродным волокном, обязательно засияют в будущем.

Применение композитов из углеродного волокна в корпусах аккумуляторных батарей

Разработка корпусов аккумуляторных батарей

Стабильность и безопасность новых энергетических батарей всегда были в центре внимания. Корпуса аккумуляторных блоков являются ключевыми компонентами аккумуляторной системы транспортных средств на новой энергии, тесно связанными с электрической системой и безопасностью транспортного средства. Силовой аккумуляторный блок, закрытый корпусом, образует основной корпус аккумуляторного блока.

Корпус аккумуляторной батареи играет решающую роль в безопасной эксплуатации и защите аккумуляторных модулей, требуя материалов, устойчивых к коррозии, изоляции, устойчивости к нормальным и низкотемпературным воздействиям (-25°C) и огнестойкости. На рисунке 5 показан новый аккумуляторный блок питания транспортного средства и его разложение.

Являясь носителем аккумуляторных модулей, корпус аккумуляторной батареи обеспечивает стабильную работу и безопасную защиту аккумуляторных модулей, обычно устанавливаемых в нижней части автомобиля для защиты литиевых батарей от повреждений из-за внешних столкновений и сжатий. Традиционные аккумуляторные корпуса автомобилей отливаются из таких материалов, как стальные пластины и алюминиевые сплавы, с поверхностным покрытием для защиты. С развитием энергосберегающих и легких транспортных средств материалы для корпусов аккумуляторных батарей получили легкие альтернативы, такие как композиты, армированные стекловолокном, листовые формовочные компаунды и композиты, армированные углеродным волокном.

Стальные корпуса аккумуляторных батарей являются оригинальными материалами, используемыми для силовых аккумуляторных блоков, обычно изготовленными из сварных стальных пластин, обеспечивающими высокую прочность и жесткость, а также высокую плотность и массу, что требует дополнительных процессов защиты от коррозии. Корпуса из алюминиевого сплава являются основным материалом для силовых аккумуляторных блоков, поскольку они легкие (всего 35 % от плотности стали), просты в обработке и формовке, а также устойчивы к коррозии.

С развитием легких транспортных средств и развитием технологий формования термореактивных пластмасс в качестве материалов корпуса аккумуляторных блоков постепенно используются новые пластмассы и композиты. Корпуса аккумуляторных батарей из термореактивного пластика весят 35 кг, что примерно на 35% легче металлических корпусов, и вмещают 340 кг батарей.

Перспективы использования композитов из углеродного волокна в корпусах аккумуляторных батарей

Композиты из углеродного волокна, обладающие многочисленными преимуществами, стали идеальной заменой традиционным металлическим корпусам аккумуляторов и уже нашли предварительное применение в некоторых моделях автомобилей. Например, компания НИО в сотрудничестве с немецкой компанией SGL Углерод разработала аккумуляторную батарею из углеродного волокна емкостью 84 кВтч, уменьшив вес корпуса на 40% по сравнению с алюминиевыми конструкциями, а плотность энергии превышает 180 (Вт·ч)/кг. Тяньцзиньский институт передовых технологий и Лишен совместно разработали корпус аккумуляторной батареи из углеродного волокна весом около 24 кг, что позволяет снизить вес на 50% по сравнению с конструкциями из алюминиевого сплава и плотность энергии до 210 (Вт·h)/кг.

Такие исследователи, как Дуань Дуаньсян и др. разработали облегченные конструкции и оптимизировали процесс изготовления корпусов аккумуляторных блоков из углеродного волокна, что позволило снизить вес корпуса на 66 % по сравнению со стальными конструкциями и при этом обеспечить соответствующие условия работы. Чжао Сяоюй и др. использовали композиты из углеродного волокна и метод проектирования, эквивалентный жесткости, для легких корпусов аккумуляторных блоков, добившись снижения веса на 64–67,6% по сравнению со стальными конструкциями.

ЛИУ и др. решили проблему облегчения конструкции верхних крышек аккумуляторных батарей из углеродного волокна с использованием метода РБДО, добившись снижения веса на 22,14% при одновременном соблюдении требований к производительности. Тан Личжун и др. сравнили три решения: верхнюю крышку из алюминия толщиной 1,5 мм (схема 1), верхнюю крышку из углеволокна толщиной 1,5 мм (схема 2) и верхнюю крышку из углеволокна толщиной 0,5 мм сотовую панель толщиной 3 мм верхнюю крышку из композитного углеволокна толщиной 0,5 мм. (Схема 3). Они обнаружили, что схема 3 оказалась оптимальной: вес снизился на 31% по сравнению со схемой 1.

Резервуары с металлической гильзой, обернутой волокном (Тип III) и резервуары с пластиковой гильзой, обернутые волокном (Тип IV), являются основными газовыми баллонами с волокнистой композитной оберткой. Такие волокна, как стекловолокно, волокно из карбида кремния, волокно из оксида алюминия, волокно из бора, углеродное волокно, арамидное волокно и волокно из поли(п-фениленбензоизоксазола) использовались для изготовления газовых баллонов, обернутых волокнистым композитом. Ожидается, что легкие, ударопрочные и огнестойкие волокнистые композиты также станут важными материалами для будущих легких корпусов аккумуляторных блоков.

Однако из-за ограничений по стоимости высокоэффективные волокнистые композиты, в которых преобладают композиты из углеродного волокна, не нашли широкого применения в корпусах аккумуляторных блоков. Считается, что с развитием новой энергетики и расширением применения волокнистых композитов стоимость использования волокнистых композитов будет постепенно снижаться. Волокнистые композиты будут блистать на будущем рынке новой энергии.