碳纖維復(fù)材在氫氣儲存和電池包殼體的應(yīng)用現(xiàn)狀

能源汽車氫能儲存及電池包殼體的應(yīng)用現(xiàn)狀及研究進(jìn)展，討論高壓儲氣瓶及電池包殼體的分類及發(fā)展趨勢，分析當(dāng)前碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)，并展望未來高性能纖維復(fù)合材料在新能源汽車領(lǐng)域的應(yīng)用與前景。使用輕質(zhì)材料來降低汽車質(zhì)量已成為實(shí)現(xiàn)新能源汽車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)合材料開始應(yīng)用在新能源汽車領(lǐng)域。低密度、高強(qiáng)度、耐腐蝕、耐疲勞的碳纖維復(fù)合材料是汽車領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的高性能纖維復(fù)合材料，在汽車眾多系統(tǒng)部位都有著大量應(yīng)用，比如：車體的車門、車頂?shù)?；發(fā)動機(jī)系統(tǒng)中的推桿、搖桿、水泵葉輪；傳動系統(tǒng)中的傳動軸、離合器葉片；底盤系統(tǒng)中的車底框架、懸置件、彈簧片等。隨著新能源汽車的快速發(fā)展，其動力能量的安全儲存問題一直是研究關(guān)注的熱點(diǎn)，氫能源汽車的高壓儲氣瓶及電動汽車電池包殼體是目前新能源汽車能量儲存的主流方式，優(yōu)點(diǎn)眾多的碳纖維復(fù)合材料在此領(lǐng)域也開始嶄露頭角。1碳纖維簡介

碳纖維一般不會直接使用，通常作為增強(qiáng)體，與樹脂基體、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，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、力學(xué)性能、絲束大小可以將碳纖維分成以下幾類，具體見表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，主要依照拉伸強(qiáng)度和模量進(jìn)行分類，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)合材料在汽車領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著綠色節(jié)能要求的提高，汽車輕量化水平不斷提高。根據(jù)歐洲鋁協(xié)數(shù)據(jù)，當(dāng)汽車質(zhì)量降低10%時，能源使用效率將提高6%~8%，百公里排放污染物降低10%。而對于新能源汽車，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)合材料在汽車上有著豐富的應(yīng)用，表2為部分車型應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料的情況，圖2為中泰證券研究所2020年對全球汽車碳纖維市場規(guī)模及預(yù)測統(tǒng)計，預(yù)計到2025年全球車用碳纖維市場規(guī)模可達(dá)2.01萬t。3碳纖維復(fù)合材料在氫能儲存領(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)成為新能源汽車氫氣儲存、輕質(zhì)動力電池包殼體的理想替代材料。3.1

高壓儲氫瓶的應(yīng)用場景用高壓儲氣瓶來實(shí)現(xiàn)氫氣的儲存和釋放是目前國內(nèi)外廠商廣泛應(yīng)用的儲氫方式。根據(jù)材質(zhì)的不同，高壓儲氫瓶分為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為不同類型儲氫瓶的性能對比。高壓儲氫一般可以分為固定式高壓儲氫、車載輕質(zhì)高壓儲氫和運(yùn)輸用高壓儲氫。固定式高壓儲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。車載輕質(zhì)高壓儲氫瓶的主流技術(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，目前國外氫燃料電池汽車已經(jīng)廣泛使用70MPa碳纖維纏繞IV型瓶，國內(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)合材料在車載高壓儲氫氣瓶的應(yīng)用Ⅲ型和Ⅳ型瓶是車載儲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。目前用于車載高壓儲氫氣瓶常見的纖維有碳纖維、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。目前在車高壓儲氫氣瓶領(lǐng)域，國內(nèi)較國外發(fā)展仍有一定差距。美國、加拿大、日本等國家已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了70MPa儲氫瓶量產(chǎn)并開始使用Ⅳ型儲氫瓶。美國通用汽車公司主要通過增強(qiáng)碳纖維纏繞層結(jié)構(gòu)，加拿大Dynetek公司主要通過改進(jìn)纏繞層和過渡層，加強(qiáng)了碳纖維與樹脂基體復(fù)合的強(qiáng)度。但由于塑料與金屬密封等問題，中國法規(guī)目前尚未允許其推廣使用。國內(nèi)浙江大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)已成功研制了70MPa儲氫氣瓶，博肯節(jié)能旗下蘭天達(dá)突破了70MPa車用儲氫系統(tǒng)。此外，沈陽斯達(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儲氫氣瓶的試驗(yàn)。目前，由于國內(nèi)70MPa碳纖維纏繞IV型瓶的制備技術(shù)不成熟、規(guī)模化生產(chǎn)難度大，導(dǎo)致制備成本相對較高，極大抑制了IV型瓶的需求和發(fā)展。根據(jù)美國汽車研究理事會研究發(fā)現(xiàn)，高壓儲氫瓶生產(chǎn)規(guī)模越大，成本也就越低，當(dāng)生產(chǎn)規(guī)模由1萬套提高到50萬套時，成本會下降五分之一。因此，隨著制備技術(shù)的發(fā)展及生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，高級別碳纖維纏繞車載高壓儲氫氣瓶在未來必然會大放光彩。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)展新能源動力電池穩(wěn)定性和安全性一直以來都是備受人們關(guān)注的焦點(diǎn)。電池包殼體是新能源汽車電池系統(tǒng)的組成部分，由于其與電氣系統(tǒng)和汽車安全緊密相關(guān)，也是新能源汽車的關(guān)鍵零部件。動力電池包是新能源汽車的動力源，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為新能源車動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，一般是安裝在車體下部，主要用于保護(hù)鋰電池在受到外界碰撞、擠壓時不被損壞。傳統(tǒng)車用電池箱體采用鋼板、鋁合金等材料鑄造，然后對其表面進(jìn)行噴涂處理。隨著汽車節(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)。隨著汽車的輕量化發(fā)展，以及熱固性塑料成型技術(shù)的開發(fā)，新型塑料及復(fù)合材料開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，在部分車型上已有了初步應(yīng)用。蔚來與德國SGLCarbon聯(lián)合開發(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μ祭w維復(fù)合材料電池包殼體進(jìn)行了輕量化設(shè)計和鋪層工藝優(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)計法對電池包殼體進(jìn)行輕量化設(shè)計，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)計問題，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)行對比研究，發(fā)現(xiàn)方案三為最優(yōu)，相對于方案一可減小質(zhì)量31%。5結(jié)語

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、芳綸和聚對苯撐苯