Тази статия изследва настоящите приложения и напредъка на изследванията на композити от въглеродни влакна в кутии за съхранение на водород и батерии за нови енергийни превозни средства. Той обсъжда класификацията и тенденциите на развитие на газови бутилки с високо налягане и кутии за батерии, анализира предимствата и недостатъците на композитите от въглеродни влакна и предвижда бъдещите приложения и перспективи на композитите с високоефективни влакна в областта на новите енергийни превозни средства.

Преглед на композитите от въглеродни влакна

Използването на леки материали за намаляване на теглото на превозното средство се превърна в решаващ метод за постигане на олекотяване на превозни средства с нова енергия. С непрекъснатото развитие на науката за материалите, различни композитни материали от леки влакна, като композити, подсилени със стъклени влакна и композити, подсилени с въглеродни влакна, започнаха да се използват в областта на новите енергийни превозни средства.

Композитите от въглеродни влакна, известни със своята ниска плътност, висока якост, устойчивост на корозия и устойчивост на умора, са най-широко използваните високоефективни влакнести композити в автомобилния сектор. Те се използват широко в различни автомобилни системи, като врати и покриви в каросерията на автомобила, тласкачи и кобилици в системата на двигателя, задвижващи валове и лопатки на съединителя в трансмисионната система и компоненти на шасито като рамки на долната част и части на окачването.

С бързото развитие на нови енергийни превозни средства, безопасното съхранение на тяхната мощност се превърна в ключов изследователски фокус. Газовите бутилки с високо налягане за превозни средства с водородна енергия и кутиите за батерии за електрически превозни средства са основните методи за съхранение на енергия в момента. Композитите от въглеродни влакна, с техните многобройни предимства, започват да придобиват известност в тази област.

Въведение във въглеродните влакна

Въглеродните влакна обикновено се използват като подсилващи материали, комбинирани със смола, метал или керамични матрици за образуване на композитни материали от въглеродни влакна. Фигура 1 показва примери за тъкани от въглеродни влакна и композитни профили от въглеродни влакна.

Въглеродните влакна имат следните предимства:

1. Ниска плътност и висока якост: С плътност от само 1,5~2,0 g/см³, те са около половината от плътността на леките алуминиеви сплави, но 4-5 пъти по-здрави от стоманата и 6-7 пъти по-здрави от алуминия.

2. Устойчивост на висока и ниска температура: Въглеродните влакна не се топят или омекват в неокисляващи атмосфери при 3000°C и не стават крехки при температури на течен азот.

3. Добра електрическа проводимост: При 25°C въглеродните влакна с висок модул имат специфично съпротивление от 775Ω·см, докато въглеродните влакна с висока якост имат специфично съпротивление от 1500Ω·см.

4. Устойчивост на киселинна корозия: Въглеродните влакна са устойчиви на корозия от концентрирана солна киселина, фосфорна киселина и сярна киселина.

Въз основа на типовете предшественици, механичните свойства и размерите на снопа от нишки, въглеродните влакна могат да бъдат категоризирани в няколко типа, както е показано в таблица 1.

Въглеродните влакна обикновено се класифицират според техните механични свойства, главно якост на опън и модул. Типовете с висока якост имат якост от 2000 MPa и модул от 250 Общ успех, докато типовете с висок модул надвишават 300 Общ успех. Типовете с ултрависока якост имат якост над 4000 MPa, а типовете с ултрависок модул имат модул над 450 Общ успех.

Текущи приложения на композити от въглеродни влакна в автомобилната област

С нарастващите изисквания за зелена енергия и ефективност, нивото на олекотяване на автомобилите продължава да расте. Според данни на Европейската алуминиева асоциация, намаляването на теглото на превозното средство с 10% може да подобри енергийната ефективност с 6% до 8% и да намали емисиите на замърсители с 10% на 100 километра. За нови енергийни превозни средства намаляването на теглото със 100 кг може да увеличи техния пробег с около 6% до 11%.

Леките и високоякостни композити от въглеродни влакна имат широк спектър от приложения в автомобилите. Таблица 2 изброява някои модели превозни средства, които използват композитни материали от въглеродни влакна, а Фигура 2 показва размера на пазара и прогнозата за световния пазар на автомобилни въглеродни влакна, който се очаква да достигне 20 100 тона до 2025 г.

Приложения на композити от въглеродни влакна при съхранение на водород

Благодарение на тяхната висока якост, устойчивост на корозия, устойчивост на умора, добро забавяне на пламъка и стабилност на размерите, композитите от въглеродни влакна са идеални материали за съхранение на водород в нови енергийни превозни средства и леки кутии за батерии.

Резервоари за съхранение на водород под високо налягане

Газовите бутилки с високо налягане са широко разпространеният метод за съхранение на водород от местни и международни производители. В зависимост от материалите, резервоарите за съхранение на водород под високо налягане се класифицират в тип I, II, III и IV, направени съответно от чиста стомана, стоманени облицовки с обвивка от влакна, метални обвивки с обвивка от влакна и пластмасови обвивки с обвивка от влакна, както е показано на фигура 3.

Таблица 3 сравнява производителността на различни видове резервоари за съхранение на водород. Съхранението на водород под високо налягане може да бъде разделено на фиксирано съхранение под високо налягане, монтирано на леки превозни средства хранилище под високо налягане и транспортно съхранение под високо налягане. Фиксираните резервоари за съхранение под високо налягане, обикновено стоманени резервоари за водород и стоманени съдове под налягане, се използват главно в станции за зареждане с водород, като предлагат ниска цена и зряло развитие.

Леките резервоари за съхранение под високо налягане, монтирани на превозни средства, използват предимно алуминиева сплав или пластмасови облицовки с обвивка от въглеродни влакна, за да подобрят структурната здравина и да намалят общото тегло. В международен план 70 MPa обвити с въглеродни влакна резервоари тип IV се използват широко в превозни средства с водородни горивни клетки, докато в страната 35 MPa обвити с въглеродни влакна резервоари тип III са по-често срещани, с по-малко приложения за 70 MPa обвити с въглеродни влакна резервоари тип III.

Композитни материали от въглеродни влакна в монтирани на превозни средства резервоари за съхранение на водород под високо налягане

Резервоарите от типове III и IV са основният поток за съхранение на водород под високо налягане, монтиран в превозни средства, състоящи се главно от облицовки и слоеве, обвити с влакна. Фигура 4 показва напречно сечение на резервоар за съхранение на водород под високо налягане от въглеродни влакна Тип IV. Композитите от влакна, навити спираловидно и обръчно около обшивката, основно увеличават структурната здравина на облицовката.

Понастоящем обичайните влакна, използвани в монтирани на превозни средства резервоари за съхранение на водород под високо налягане, включват въглеродни влакна, стъклени влакна, влакна от силициев карбид, влакна от алуминиев оксид, арамидни влакна и влакна от поли(р-фенилен бензобизоксазол). Сред тях въглеродните влакна постепенно се превръщат в основен влакнест материал поради техните отлични свойства.

Вътрешното развитие на резервоари за съхранение на водород под високо налягане изостава от международния напредък. Съединените щати, Канада и Япония постигнаха масово производство на резервоари за съхранение на водород от 70 MPa и започнаха да използват резервоари тип IV. Американски компании като Общ Двигатели подобряват структурата на слоевете, обвити с въглеродни влакна, докато канадската Dynetek подобрява намотките и преходните слоеве, повишавайки композитната здравина на въглеродните влакна със смолни матрици. Въпреки това, поради проблеми като пластмасово и метално запечатване, китайските разпоредби в момента не позволяват широкото им използване.

Местни институции като Джъдзян университет и Тонгджи университет успешно разработиха резервоари за съхранение на водород от 70 MPa, а компании като Син небе Енергия под Бохонг Енергия пробиха системата за съхранение на водород от 70 MPa за превозни средства. Освен това компании като Шенянг Старлинг, Пекин Кетаике и Пекин Тянхай също са разработили и тествали резервоари за съхранение на водород от 70 MPa.

Поради незрялата технология и трудностите при масовото производство на 70 MPa обвити с въглеродни влакна резервоари тип IV в страната, високите разходи за подготовка силно възпрепятстват търсенето и развитието на резервоари тип IV. Според изследване на Съвета за автомобилни изследвания на САЩ, колкото по-голям е производственият мащаб на резервоарите за съхранение на водород под високо налягане, толкова по-ниски са разходите. Когато производственият мащаб се увеличи от 10 000 на 500 000 комплекта, разходите могат да намалеят с една пета. Ето защо, с напредването на технологията за подготовка и разширяването на производствения мащаб, резервоарите за съхранение на водород с високо налягане, обвити с въглеродни влакна на високо ниво, са длъжни да блеснат в бъдеще.

Приложения на композити от въглеродни влакна в кутии за батерии

Разработване на кутии за батерии

Стабилността и безопасността на новите енергийни батерии винаги са били фокусни точки на безпокойство. Корпусите на батерийните модули са ключови компоненти на новата енергийна акумулаторна система за превозни средства, тясно свързани с електрическата система и безопасността на превозното средство. Захранващият батериен пакет, покрит от кутията, образува основното тяло на батерийния пакет.

Корпусът на батерийния пакет играе решаваща роля за безопасната работа и защита на модулите на батериите, като изисква материали с устойчивост на корозия, изолация, устойчивост на нормални и ниски температури (-25°C) и забавяне на горенето. Фигура 5 показва нова батерия за захранване на превозно средство и нейното разлагане.

Като носител на батерийни модули, корпусът на батерийния пакет осигурява стабилна работа и безопасна защита на батерийните модули, обикновено монтирани в долната част на превозното средство, за да предпазят литиевите батерии от повреда поради външни сблъсъци и компресии. Традиционните кутии за акумулатори на превозни средства са отлети от материали като стоманени плочи и алуминиеви сплави, с повърхностни покрития за защита. С развитието на енергоспестяващи и леки превозни средства, материалите за корпусите на батериите се появиха леки алтернативи като композити, подсилени със стъклени влакна, смеси за формоване на листове и композити, подсилени с въглеродни влакна.

Стоманените кутии за батерии са оригиналните материали, използвани за захранващи батерии, обикновено направени от заварени стоманени плочи, предлагащи висока якост и твърдост, но също така и висока плътност и маса, изискващи допълнителни процеси за защита от корозия. Корпусите от алуминиева сплав са основният материал за захранващи батерийни пакети, предлагайки леко тегло (само 35% от плътността на стоманата), лесна обработка и формоване и устойчивост на корозия.

С развитието на леките превозни средства и напредъка на технологиите за формоване на термореактивна пластмаса, новите пластмаси и композити постепенно се използват като материали за корпуси на батерии. Кутиите за батерии от термореактивна пластмаса тежат 35 килограма, около 35% по-леки от металните кутии и могат да носят 340 килограма батерии.

Перспективи за композити от въглеродни влакна в кутии за батерии

Композитите от въглеродни влакна, с техните многобройни предимства, се превърнаха в идеални заместители на традиционните метални кутии за батерии и вече са видели предварителни приложения в някои модели превозни средства. Например, NIO, в сътрудничество с германската SGL Въглерод, разработи 84 kWh батерия от въглеродни влакна, намалявайки теглото на корпуса с 40% в сравнение с алуминиевите конструкции, с енергийна плътност над 180 (W·h)/килограма. Тиендзин институт на Разширено технология и Лишен съвместно разработиха кутия за батерия от композитни въглеродни влакна, тежаща приблизително 24 килограма, намалявайки теглото с 50% в сравнение със структурите от алуминиева сплав, с енергийна плътност до 210 (W·h)/килограма.

Изследователи като Дуан Дуансян и др. проведоха олекотени дизайни и оптимизации на процесите на пластове за кутии за батерии от композитни въглеродни влакна, като намалиха теглото на корпуса с 66% в сравнение със стоманените конструкции, като същевременно отговарят на съответните работни условия. Джао Сяою и др. използва композитни материали от въглеродни влакна и еквивалентен метод за проектиране на твърдост за олекотени кутии за батерии, постигайки намаляване на теглото от 64% до 67,6% в сравнение със стоманените конструкции.

ЛИУ и др. се обърна към проблема с олекотения дизайн на горните капаци на батерията от композитни въглеродни влакна, използвайки метода РБДО, постигайки 22,14% намаление на теглото, като същевременно отговаря на изискванията за производителност. тен Лиджонг и др. сравни три решения: алуминиев горен капак с дебелина 1,5 мм (Схема 1), горен капак от въглеродни влакна с дебелина 1,5 мм (Схема 2) и 0,5 мм въглеродни влакна 3 мм дебел панел от пчелна пита 0,5 мм дебел композитен горен капак от въглеродни влакна (Схема 3). Те установиха, че схема 3 е оптимална, намалявайки теглото с 31% в сравнение със схема 1.

Резервоарите с влакнеста обвивка с метална обвивка (Тип III) и резервоарите с влакнеста обвивка с пластмасова обвивка (Тип IV) са масовите газови бутилки, обвити с композитни влакна. Влакна като стъклени влакна, влакна от силициев карбид, влакна от алуминиев оксид, влакна от бор, въглеродни влакна, арамидни влакна и поли(р-фенилен бензобизоксазол) влакна са използвани за производството на обвити с влакна композитни газови бутилки. Леките, устойчиви на удар и забавящи горенето влакнести композитни материали също се очаква да станат важни материали за бъдещи леки кутии за батерии.

Въпреки това, поради ограниченията на разходите, високоефективните влакнести композити, доминирани от въглеродни влакна, не са широко използвани в корпусите на батерийните пакети. Смята се, че с развитието на нова енергия и разширяването на приложенията на композитни влакна, разходите за използване на композитни влакна постепенно ще намалеят. Влакнестите композити са готови да блеснат на бъдещия нов енергиен пазар.