碳纖維復材在電池包殼體的應用現狀
隨著材料領域的不斷發展，玻璃纖維增強復合材料、碳纖維增強復合材料等多種輕量化的纖維復合材料開始應用在新能源汽車領域。
低密度、高強度、耐腐蝕、耐疲勞的碳纖維復合材料是汽車領域應用最為廣泛的高性能纖維復合材料，在汽車眾多系統部位都有著大量應用，比如：車體的車門、車頂等；發動機系統中的推桿、搖桿、水泵葉輪；傳動系統中的傳動軸、離合器葉片；底盤系統中的車底框架、懸置件、彈簧片等。
隨著新能源汽車的快速發展，其電池的安全儲存問題一直是研究關注的熱點，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，優點眾多的碳纖維復合材料在此領域也開始嶄露頭角。
一、碳纖維簡介
碳纖維一般不會直接使用，通常作為增強體，與樹脂基體、金屬基體、陶瓷基體等結合形成碳纖維復合材料。圖1為碳纖維布及碳纖維復合材料型材實物圖。
圖1 碳纖維布及碳纖維復合材料型材
碳纖維具備以下優點：
①低密度、高強度，密度僅為1.5~2.0g/cm3，相當于輕質鋁合金密度的1/2，強度是鋼的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良好的導電性，25℃時，高模量碳纖維的比電阻為775Ω·cm，高強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、力學性能、絲束大小可以將碳纖維分成以下幾類，具體見表1。
表1 碳纖維的分類
碳纖維通常作為增強材料使用，因此實際使用中通常按照力學性能進行分類，主要依照拉伸強度和模量進行分類，高強型的強度為2000MPa、模量為250GPa，高模型的模量在300GPa以上，超高強型的強度大于4000MPa，超高模型的模量大于450GPa。
二、碳纖維復合材料在汽車領域應用現狀
根據歐洲鋁協數據，當汽車質量降低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的質量減小相應可以增加其續航能力約6%~11%。
輕質高強的碳纖維復合材料在汽車上有著豐富的應用，表2為部分車型應用碳纖維復合材料的情況。
表2 部分車型應用碳纖維復合材料的情況
圖2為中泰證券研究所2020年對全球汽車碳纖維市場規模及預測統計，預計到2025年全球車用碳纖維市場規?？蛇_2.01萬t。
圖2 全球汽車碳纖維市場規模及預測
三、碳纖維復合材料在電池包殼體的應用
1.電池包殼體的發展
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成電池包主體。電池包殼體對電池模塊的安全工作和防護起著關鍵作用，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。
圖5 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定工作和安全防護起著關鍵作用，一般是安裝在車體下部，主要用于保護鋰電池在受到外界碰撞、擠壓時不被損壞。
傳統車用電池箱體采用鋼板、鋁合金等材料鑄造，然后對其表面進行噴涂處理。隨著汽車節能環保和輕量化發展，電池殼體材料也出現了玻璃纖維增強復合材料、片狀模塑料、碳纖增強復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，具備強度高、剛性高的優點，但其密度大、質量大，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(密度僅為鋼的35%)、易加工成型、耐腐蝕等特點。
隨著汽車的輕量化發展，以及熱固性塑料成型技術的開發，新型塑料及復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量為35kg，比金屬箱體的質量約小35%，可承載質量為340kg的電池。
2. 電池包殼體的發展
具備眾多優點的碳纖維復合材料已成為傳統金屬材質電池箱體的理想替代品，在部分車型上已有了初步應用。
蔚來與德國SGL Carbon聯合開發了84kW·h碳纖維電池包，該碳纖維殼體質量比鋁結構減小40%，能量密度大于180(W·h)/kg。
蔚來展示的84 kW · h碳纖維電池包殼體
天津中科先進技術研究院與力神合作開發的碳纖維復合材料電池包殼體的總質量約為24kg，較鋁合金結構質量減小50%，能量密度高達210(W·h)/kg。
段端詳等對碳纖維復合材料電池包殼體進行了輕量化設計和鋪層工藝優化，在滿足相關工況條件下，得到的殼體質量較鋼結構減小了66%。
趙曉昱等采用碳纖維復合材料，利用剛度等效設計法對電池包殼體進行輕量化設計，相比于鋼結構質量減小64%～67.6%。
LIU等采用RBDO方法解決碳纖維復合材料電池包殼體上蓋輕量化設計問題，在性能滿足要求的情況下，實現質量減小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厚碳纖維復合上蓋(方案三)三種方案進行對比研究，發現方案三為最優，相對于方案一可減小質量31%。
芳綸混雜碳纖維制成的電池包殼體在國內外也有了相關研究，以南京奧創先進材料科技有限公司為代表的高性能纖維公司也開始了相關研究，并在專利領域開始布局，如專利CN113764801A等。
受限于成本問題 ， 目前以碳纖維復合材料為主的高性能纖維復合材料在電池包殼體領域并未得到大面積應用 ，相信隨著新能源 的發展以及纖維復合材料應用的擴大 ，纖維復合材料的使用成本將逐步降低 ，未來新能源市場上纖維復合材料也會大放光彩。
portant;">參考資料：碳纖維復材在氫氣儲存和電池包殼體的應用現狀，李宗家等
