Abstract:

Dit artikel onderzoekt de status quo en onderzoeksontwikkelingen van met koolstofvezel versterkte materialen in waterstofopslag en EV-batterijbehuizingen op het gebied van nieuwe energievoertuigen. Het beoordeelt de classificaties en trends van hogedrukgascilinders en batterijbehuizingen, duikt in de voor- en nadelen van koolstofvezelmaterialen in hun huidige toepassingen, en voorziet de toepassingen en vooruitzichten van deze geavanceerde materialen in het toekomstige landschap van nieuwe energievoertuigen.

De verschuiving naar lichtgewicht materialen om het totale gewicht te verminderen is een belangrijke strategie geworden bij het bevorderen van het lichter maken van nieuwe energievoertuigen. Vooruitgang in de materiaalkunde heeft geleid tot de adoptie van verschillende lichtgewicht vezelcomposieten, waaronder met glas en koolstofvezel versterkte materialen, in de nieuwe energie-automobielindustrie.

Koolstofvezelcomposieten, bekend om hun lage dichtheid, hoge sterkte, corrosieweerstand en uithoudingsvermogen tegen vermoeidheid, behoren tot de meest toegepaste hoogwaardige vezelcomposieten in de automobielsector. Hun toepassingen omvatten verschillende voertuigsystemen, waaronder de carrosserie, motor, transmissie en chassis, waardoor de prestaties en veiligheid van voertuigen worden verbeterd.

01 Overzicht koolstofvezel

Koolstofvezels worden doorgaans niet rechtstreeks gebruikt, maar als versterking, gecombineerd met hars-, metaal- of keramische matrices om koolstofvezelcomposieten te vormen. Deze vezels bieden aanzienlijke voordelen: (1) lage dichtheid en hoge sterkte, met een dichtheid van slechts 1,5~2,0 g/cm³, de helft van die van lichte aluminiumlegeringen, en 4~5maal de sterkte van staal en 6-7 maal die van aluminium; (2) weerstand tegen hoge en lage temperaturen, behoud van integriteit in niet-oxiderende atmosferen tot 3000°C en wordt niet bros bij temperaturen van vloeibare ammoniak; (3) uitstekende elektrische geleidbaarheid, met een soortelijke weerstand van 775 Ω·cm voor koolstofvezels met hoge modulus en 1500 Ω·cm voor vezels met hoge sterkte bij 25°C; (4) weerstand tegen zuurcorrosie, bestand tegen geconcentreerd zoutzuur, fosforzuur, zwavelzuur, enz.

Koolstofvezels kunnen worden gecategoriseerd op basis van het type precursor, mechanische eigenschappen en de grootte van de filamentbundel. In de praktijk hangt de classificatie vaak af van de treksterkte en modulus, waarbij typen met hoge sterkte een sterkte van 2000 MPa en een moduli van 250 GPa hebben, typen met een hoge modulus een modulus van meer dan 300 GPa, typen met ultrahoge sterkte een sterkte van meer dan 4000 MPa, en typen met ultrahoge modulus met een modulus van meer dan 450 GPa.

02 Toepassingsstatus van koolstofvezelcomposieten in de automobielsector

Het streven naar groene energie en energiebesparende maatregelen heeft de lat voor lichtgewicht auto's voortdurend hoger gelegd. Volgens de European Aluminium Association kan een vermindering van het voertuiggewicht met 10% leiden tot een verbetering van 6% tot 8% in de efficiëntie van het energieverbruik en een vermindering van 10% in de uitstoot van verontreinigende stoffen per honderd kilometer. Voor nieuwe energievoertuigen kan een gewichtsvermindering van 100 kg de actieradius met ongeveer 6%~11% vergroten.

Koolstofvezelcomposieten, bekend om hun lichte gewicht en hoge sterkte, hebben uitgebreide toepassing gevonden in voertuigen, waardoor hun prestaties en veiligheid in verschillende systemen worden verbeterd, waaronder de carrosserie, de motor, de transmissie en het chassis.

03

Toepassingen van koolstofvezelcomposieten bij waterstofopslag

Met hun hoge sterkte, corrosieweerstand, vermoeidheidsweerstand, vlamvertraging en dimensionale stabiliteit zijn koolstofvezelcomposieten ideale vervangers geworden voor waterstofopslag in nieuwe energievoertuigen en lichtgewicht batterijbehuizingen.

3.1 Toepassingsscenario's voor hogedrukwaterstofcilinders

Het gebruik van hogedrukgascilinders voor de opslag en afgifte van waterstof is een algemeen aanvaarde methode. Afhankelijk van het materiaal worden deze cilinders onderverdeeld in vier typen: geheel van staal, stalen voering met vezelomhulling, metalen voering met vezelomhulling en kunststof voering met vezelomhulling. Deze variërende structuren en materialen brengen verschillende kosten, volwassenheidsniveaus en toepassingsscenario's met zich mee.

Momenteel zijn met koolstofvezel versterkte materialen de belangrijkste materiaalkeuze voor de productie van hogedruk-waterstofopslagcilinders voor voertuigen, ondanks uitdagingen op het gebied van technologie en kosten.

04

Toepassingen van koolstofvezelcomposieten in batterijbehuizingen

De stabiliteit en veiligheid van nieuwe energiebatterijen zijn altijd speerpunten geweest in de industrie. Batterijbehuizingen, essentieel voor het beschermen van batterijmodules tegen externe invloeden, moeten voldoen aan eisen op het gebied van corrosiebestendigheid, isolatie en temperatuurbestendigheid. Traditionele batterijbehuizingen zijn meestal gemaakt van staal- of aluminiumlegeringen. Met de technologische vooruitgang beginnen echter lichtgewicht materialen zoals koolstofvezelcomposieten te worden gebruikt, wat nieuwe mogelijkheden biedt voor de ontwikkeling van nieuwe energievoertuigen.

05

Conclusie

Hogedrukgascilinders met metalen en plastic voeringen omwikkeld met vezels zijn de mainstream in de huidige productietechnologie. Koolstofvezel heeft met zijn uitzonderlijke eigenschappen een groot potentieel bij de productie van hogedrukgascilinders en batterijbehuizingen. Vanwege kostenbeperkingen moet een wijdverspreide toepassing van deze geavanceerde materialen in batterijbehuizingen echter nog worden gerealiseerd. Naarmate nieuwe energietechnologieën evolueren en de kosten van materiaaltoepassingen dalen, staan ​​koolstofvezelcomposieten klaar om in de toekomst een belangrijke rol te spelen.