Dit artikel onderzoekt de huidige toepassingen en onderzoeksvoortgang van koolstofvezelcomposieten in waterstofopslag en batterijpakketten voor nieuwe energievoertuigen. Het bespreekt de classificatie- en ontwikkelingstrends van hogedrukgascilinders en batterijbehuizingen, analyseert de voor- en nadelen van koolstofvezelcomposieten en anticipeert op de toekomstige toepassingen en vooruitzichten van hoogwaardige vezelcomposieten op het gebied van nieuwe energievoertuigen.

Overzicht van koolstofvezelcomposieten

Het gebruik van lichtgewicht materialen om het gewicht van voertuigen te verminderen is een cruciale methode geworden om het lichtgewicht van nieuwe energievoertuigen te bereiken. Met de voortdurende ontwikkeling in de materiaalkunde worden verschillende lichtgewicht vezelcomposieten, zoals glasvezelversterkte composieten en koolstofvezelversterkte composieten, gebruikt op het gebied van nieuwe energievoertuigen.

Koolstofvezelcomposieten, bekend om hun lage dichtheid, hoge sterkte, corrosieweerstand en vermoeidheidsweerstand, zijn de meest gebruikte hoogwaardige vezelcomposieten in de automobielsector. Ze worden veelvuldig gebruikt in verschillende autosystemen, zoals deuren en daken in de carrosserie, stoterstangen en tuimelaars in het motorsysteem, aandrijfassen en koppelingsbladen in het transmissiesysteem, en chassiscomponenten zoals bodemframes en ophangingsonderdelen.

Met de snelle ontwikkeling van nieuwe energievoertuigen is de veilige opslag van hun energie-energie een belangrijk onderzoeksfocus geworden. Hogedrukgascilinders voor voertuigen op waterstof en batterijbehuizingen voor elektrische voertuigen zijn momenteel de belangrijkste methoden voor energieopslag. Koolstofvezelcomposieten, met hun talrijke voordelen, beginnen op dit gebied bekendheid te winnen.

Inleiding tot koolstofvezel

Koolstofvezels worden over het algemeen gebruikt als versterkingsmateriaal, gecombineerd met hars-, metaal- of keramische matrices om koolstofvezelcomposieten te vormen. Figuur 1 toont voorbeelden van koolstofvezelstoffen en koolstofvezelcomposietprofielen.

Koolstofvezels hebben de volgende voordelen:

1. Lage dichtheid en hoge sterkte: Met een dichtheid van slechts 1,5~2,0 g/cm³ hebben ze ongeveer de helft van de dichtheid van lichtgewicht aluminiumlegeringen, maar 4-5 keer sterker dan staal en 6-7 keer sterker dan aluminium.

2. Bestand tegen hoge en lage temperaturen: Koolstofvezels smelten of worden niet zacht in niet-oxiderende atmosferen bij 3000% u00b0C en worden niet bros bij temperaturen van vloeibare stikstof.

3. Goede elektrische geleidbaarheid: Bij 25°C hebben koolstofvezels met hoge modulus een specifieke weerstand van 775Ω·cm, terwijl koolstofvezels met hoge sterkte een specifieke weerstand hebben van 1500Ω·cm.

4. Bestand tegen zuurcorrosie: Koolstofvezels zijn bestand tegen corrosie door geconcentreerd zoutzuur, fosforzuur en zwavelzuur.

Op basis van precursortypen, mechanische eigenschappen en filamentbundelgroottes kunnen koolstofvezels worden onderverdeeld in verschillende typen, zoals weergegeven in Tabel 1.

Koolstofvezels worden doorgaans geclassificeerd op basis van hun mechanische eigenschappen, voornamelijk treksterkte en modulus. Typen met een hoge sterkte hebben een sterkte van 2000 MPa en een modulus van 250 GPa, terwijl typen met een hoge modulus groter zijn dan 300 GPa. Typen met ultrahoge sterkte hebben een sterkte van meer dan 4000 MPa, en typen met ultrahoge modulus hebben een modulus van meer dan 450 GPa.

Huidige toepassingen van koolstofvezelcomposieten in de automobielsector

Met de toenemende vraag naar groene energie en efficiëntie blijft het niveau van lichtgewicht auto’s stijgen. Volgens gegevens van de European Aluminium Association kan het verminderen van het gewicht van een voertuig met 10% de energie-efficiëntie met 6% tot 8% verbeteren en de uitstoot van verontreinigende stoffen met 10% per 100 kilometer verminderen. Voor nieuwe energievoertuigen kan een gewichtsvermindering van 100 kg de actieradius met ongeveer 6% tot 11% vergroten.

Lichtgewicht en zeer sterke koolstofvezelcomposieten hebben een breed scala aan toepassingen in auto's. Tabel 2 somt enkele voertuigmodellen op die koolstofvezelcomposieten gebruiken, en Figuur 2 toont de marktomvang en voorspelling van de mondiale koolstofvezelmarkt voor auto’s, die naar verwachting in 2025 20.100 ton zal bereiken.

Toepassingen van koolstofvezelcomposieten bij waterstofopslag

Vanwege hun hoge sterkte, corrosieweerstand, vermoeidheidsweerstand, goede vlamvertraging en maatvastheid zijn koolstofvezelcomposieten ideale materialen voor waterstofopslag in nieuwe energievoertuigen en lichtgewicht batterijpakketbehuizingen.

Hogedruk-waterstofopslagtanks

Hogedrukgascilinders zijn de algemeen aanvaarde methode voor waterstofopslag door binnenlandse en internationale fabrikanten. Afhankelijk van de materialen worden hogedrukwaterstofopslagtanks ingedeeld in respectievelijk Type I, II, III en IV, gemaakt van puur staal, stalen voeringen met vezelomhulling, metalen voeringen met vezelomhulling en plastic voeringen met vezelomhulling. zoals weergegeven in Figuur 3.

Tabel 3 vergelijkt de prestaties van verschillende typen waterstofopslagtanks. Hogedruk-waterstofopslag kan worden onderverdeeld in vaste hogedrukopslag, lichtgewicht voertuiggemonteerde hogedrukopslag en hogedrukopslag voor transport. Vaste hogedrukopslagtanks, doorgaans stalen waterstoftanks en stalen drukvaten, worden voornamelijk gebruikt bij waterstoftankstations en bieden lage kosten en een volwassen ontwikkeling.

Op een voertuig gemonteerde lichtgewicht hogedrukopslagtanks maken voornamelijk gebruik van aluminium legering of plastic voeringen met koolstofvezelverpakking om de structurele sterkte te vergroten en het totale gewicht te verminderen. Internationaal worden 70 MPa met koolstofvezel omwikkelde Type IV-tanks op grote schaal gebruikt in voertuigen met waterstofbrandstofcellen, terwijl in eigen land 35 MPa met koolstofvezel omwikkelde Type III-tanks vaker voorkomen, met minder toepassingen voor 70 MPa met koolstofvezel omhulde Type III-tanks.

Koolstofvezelcomposieten in op voertuigen gemonteerde hogedrukwaterstofopslagtanks

Tanks van het type III en IV zijn de mainstream voor op voertuigen gemonteerde waterstofopslag onder hoge druk, en bestaan ​​voornamelijk uit voeringen en met vezels omwikkelde lagen. Figuur 4 toont een dwarsdoorsnede van een koolstofvezelcomposiet Type IV hogedrukwaterstofopslagtank. De vezelcomposieten, spiraalvormig en ringvormig rond de voering gewikkeld, vergroten in de eerste plaats de structurele sterkte van de voering.

Momenteel omvatten de gebruikelijke vezels die worden gebruikt in op voertuigen gemonteerde hogedrukwaterstofopslagtanks koolstofvezels, glasvezels, siliciumcarbidevezels, aluminiumoxidevezels, aramidevezels en poly (p-fenyleenbenzobisoxazool) vezels. Hiervan worden koolstofvezels geleidelijk het mainstream vezelmateriaal vanwege hun uitstekende eigenschappen.

In eigen land blijft de ontwikkeling van hogedruk-waterstofopslagtanks achter bij de internationale vooruitgang. De Verenigde Staten, Canada en Japan hebben de massaproductie van waterstofopslagtanks van 70 MPa gerealiseerd en zijn begonnen met het gebruik van Type IV-tanks. Amerikaanse bedrijven zoals General Motors verbeteren de structuur van met koolstofvezel omhulde lagen, terwijl het Canadese Dynetek de wikkel- en overgangslagen verbetert, waardoor de composietsterkte van koolstofvezels wordt verbeterd met harsmatrices. Vanwege problemen als plastic en metalen afdichting staat de Chinese regelgeving momenteel echter het wijdverbreide gebruik ervan niet toe.

Binnenlandse instellingen zoals de Zhejiang Universiteit en de Tongji Universiteit hebben met succes 70 MPa waterstofopslagtanks ontwikkeld, en bedrijven als Blue Sky Energy onder Bohong Energy hebben het 70 MPa waterstofopslagsysteem voor voertuigen doorbroken. Daarnaast hebben bedrijven als Shenyang Starling, Beijing Ketaike en Beijing Tianhai ook waterstofopslagtanks van 70 MPa ontwikkeld en getest.

Vanwege de onvolwassen technologie en de moeilijkheid bij de massaproductie van 70 MPa met koolstofvezel omhulde Type IV-tanks in eigen land, belemmeren de hoge voorbereidingskosten de vraag en ontwikkeling van Type IV-tanks aanzienlijk. Volgens onderzoek van de U.S. Automotive Research Council geldt dat hoe groter de productieschaal van hogedruk-waterstofopslagtanks is, hoe lager de kosten. Wanneer de productieschaal toeneemt van 10.000 naar 500.000 sets, kunnen de kosten met een vijfde dalen. Daarom zullen met de vooruitgang van de voorbereidingstechnologie en de uitbreiding van de productieschaal hoogwaardige, met koolstofvezel omhulde, op voertuigen gemonteerde hogedruk-waterstofopslagtanks in de toekomst zeker gaan schitteren.

Toepassingen van koolstofvezelcomposieten in batterijbehuizingen

Ontwikkeling van behuizingen voor batterijpakketten

De stabiliteit en veiligheid van nieuwe energiebatterijen zijn altijd een aandachtspunt geweest. Accubehuizingen zijn belangrijke componenten van het nieuwe accusysteem van energievoertuigen en houden nauw verband met het elektrische systeem en de voertuigveiligheid. Het krachtige batterijpakket, afgedekt door de behuizing, vormt het hoofdgedeelte van het batterijpakket.

De behuizing van het batterijpakket speelt een cruciale rol bij de veilige werking en bescherming van batterijmodules, en vereist materialen met corrosiebestendigheid, isolatie, weerstand tegen normale en lage temperaturen (-25% u00b0C) en vlamvertraging. Figuur 5 toont een nieuw batterijpakket voor een energievoertuig en de ontbinding ervan.

Als drager van batterijmodules zorgt de behuizing van het batterijpakket voor een stabiele werking en veilige bescherming van de batterijmodules, die doorgaans aan de onderkant van het voertuig zijn geïnstalleerd om lithiumbatterijen te beschermen tegen schade als gevolg van externe botsingen en compressies. Traditionele voertuigaccubehuizingen zijn gegoten uit materialen zoals staalplaten en aluminiumlegeringen, met oppervlaktecoatings ter bescherming. Met de ontwikkeling van energiebesparende en lichtgewicht voertuigen hebben materialen voor batterijbehuizingen lichtgewicht alternatieven gezien, zoals glasvezelversterkte composieten, plaatvormmassa's en met koolstofvezels versterkte composieten.

Stalen behuizingen voor batterijpakketten zijn de originele materialen die worden gebruikt voor krachtige batterijpakketten, meestal gemaakt van gelaste stalen platen, die een hoge sterkte en stijfheid bieden, maar ook een hoge dichtheid en massa, waardoor extra corrosiebeschermingsprocessen nodig zijn. Behuizingen van aluminiumlegeringen zijn het gangbare materiaal voor krachtige batterijpakketten en bieden een laag gewicht (slechts 35% van de staaldichtheid), gemakkelijke verwerking en vorming, en corrosiebestendigheid.

Met de ontwikkeling van lichtgewicht voertuigen en de vooruitgang van thermohardende kunststofvormtechnologieën worden geleidelijk nieuwe kunststoffen en composieten gebruikt als materialen voor de behuizing van accu's. Thermohardende plastic behuizingen voor batterijpakketten wegen 35 kg, ongeveer 35% lichter dan metalen behuizingen, en kunnen 340 kg batterijen dragen.

Vooruitzichten van koolstofvezelcomposieten in batterijbehuizingen

Koolstofvezelcomposieten zijn, met hun talrijke voordelen, ideale vervangers geworden voor traditionele metalen batterijbehuizingen en hebben al voorlopige toepassingen gezien in sommige voertuigmodellen. NIO heeft bijvoorbeeld, in samenwerking met het Duitse SGL Carbon, een koolstofvezelbatterijpakket van 84 kWh ontwikkeld, waardoor het gewicht van de behuizing met 40% is verminderd in vergelijking met aluminiumconstructies, met een energiedichtheid van meer dan 180 (W% u00b7h)/kg. Het Tianjin Institute of Advanced Technology en Lishen hebben gezamenlijk een batterijbehuizing van koolstofvezelcomposiet ontwikkeld die ongeveer 24 kg weegt, waardoor het gewicht met 50% wordt verminderd in vergelijking met structuren van aluminiumlegeringen, met een energiedichtheid tot 210 (W·h)/kg.

Onderzoekers als Duan Duanxiang et al. hebben lichtgewicht ontwerpen en laagprocesoptimalisaties uitgevoerd voor batterijbehuizingen van koolstofvezelcomposiet, waardoor het gewicht van de behuizing met 66% is verminderd in vergelijking met staalconstructies, terwijl aan de relevante arbeidsomstandigheden wordt voldaan. Zhao Xiaoyu et al. gebruikte koolstofvezelcomposieten en de stijfheidsequivalente ontwerpmethode voor lichtgewicht batterijbehuizingen, waardoor een gewichtsvermindering van 64% tot 67,6% werd bereikt in vergelijking met staalconstructies.

LIU et al. heeft het lichtgewichtontwerpprobleem van de bovenkappen van koolstofvezelcomposietbatterijen aangepakt met behulp van de RBDO-methode, waardoor een gewichtsvermindering van 22,14% werd bereikt terwijl aan de prestatie-eisen werd voldaan. Tan Lizhong et al. vergeleek drie oplossingen: een 1,5 mm dikke aluminium bovenkap (schema 1), een 1,5 mm dikke koolstofvezel bovenkap (schema 2), en een 0,5 mm koolstofvezel 3 mm dik honingraatpaneel 0,5 mm dikke koolstofvezelcomposiet bovenkap (Schema 3). Ze ontdekten dat Schema 3 optimaal was en het gewicht met 31% verminderde in vergelijking met Schema 1.

Met vezels omwikkelde tanks met metalen voering (Type III) en met vezels omhulde tanks met plastic voering (Type IV) zijn de reguliere met glasvezel omwikkelde gascilinders. Vezels zoals glasvezel, siliciumcarbidevezel, aluminiumoxidevezel, boorvezel, koolstofvezel, aramidevezel en poly(p-fenyleenbenzobisoxazool)vezel zijn gebruikt om met vezelcomposiet omhulde gascilinders te vervaardigen. Er wordt verwacht dat lichtgewicht, slagvaste en vlamvertragende vezelcomposieten ook belangrijke materialen zullen worden voor toekomstige lichtgewicht batterijbehuizingen.

Vanwege kostenbeperkingen worden hoogwaardige vezelcomposieten, gedomineerd door koolstofvezelcomposieten, echter niet op grote schaal toegepast in batterijbehuizingen. Er wordt aangenomen dat met de ontwikkeling van nieuwe energie en de uitbreiding van vezelcomposiettoepassingen de kosten voor het gebruik van vezelcomposieten geleidelijk zullen afnemen. Vezelcomposieten zullen schitteren op de toekomstige nieuwe energiemarkt.