碳纖維復材在氫氣儲存和電池包殼體的應用現狀
使用輕質材料來降低汽車質量已成為實現新能源汽車輕量化的重要途徑之一。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，其動力能量的安全儲存問題一直是研究關注的熱點，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，優點眾多的碳纖維復合材料在此領域也開始嶄露頭角。
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。
碳纖維具備以下優點：①低密度、高強度，密度僅為1.5~2.0 g/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。
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2000 MPa、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。
碳纖維復合材料在汽車領域應用現狀
隨著綠色節能要求的提高，汽車輕量化水平不斷提高。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，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模可達2.01萬t。
碳纖維復合材料在氫能儲存領域的應用
碳纖維復合材料以其強度高、耐腐蝕、耐疲勞、阻燃性好及結構尺寸穩定性好的特點成為新能源汽車氫氣儲存、輕質動力電池包殼體的理想替代材料。
3.1 高壓儲氫瓶的應用場景
用高壓儲氣瓶來實現氫氣的儲存和釋放是目前國內外廠商廣泛應用的儲氫方式。根據材質的不同，高壓儲氫瓶分為I型、II型、III型及IV型瓶，其材質分別為純鋼制、鋼制內膽纖維纏繞、金屬內膽纖維纏繞及塑料內膽纖維纏繞瓶，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、車載輕質高壓儲氫和運輸用高壓儲氫。固定式高壓儲氫瓶一般指鋼制氫瓶和鋼制壓力容器，主要應用于加氫站，成本較低，發展成熟。
車載輕質高壓儲氫瓶的主流技術是以鋁合金/塑料作為內膽，碳纖維作為外層包覆，兼顧提升氫瓶的結構強度和減輕整體質量，目前國外氫燃料電池汽車已經廣泛使用70 MPa碳纖維纏繞IV 型瓶，國內大多為35 MPa 碳纖維纏繞III 型瓶，而70 MPa碳纖維纏繞III型瓶應用較少。
3.2 碳纖維復合材料在車載高壓儲氫氣瓶的應用
Ⅲ型和Ⅳ型瓶是車載儲高壓氫氣瓶的主流氣瓶，主要由內膽和纖維纏繞層組成。圖4為碳纖維復合材料IV型高壓儲氫瓶剖視圖。以螺旋和環箍的方式纏繞在內膽外圍的纖維復合材料主要起到增加內膽結構強度的作用。
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域，國內較國外發展仍有一定差距。美國、加拿大、日本等國家已經實現了70MPa儲氫瓶量產并開始使用Ⅳ型儲氫瓶。美國通用汽車公司主要通過增強碳纖維纏繞層結構，加拿大Dynetek公司主要通過改進纏繞層和過渡層，加強了碳纖維與樹脂基體復合的強度。但由于塑料與金屬密封等問題，中國法規目前尚未允許其推廣使用。
國內浙江大學、同濟大學已成功研制了70MPa儲氫氣瓶，博肯節能旗下蘭天達突破了70MPa車用儲氫系統。此外，沈陽斯達林公司、北京科泰克和北京天海也陸續研制并進行70MPa儲氫氣瓶的試驗。
目前，由于國內70MPa碳纖維纏繞IV型瓶的制備技術不成熟、規模化生產難度大，導致制備成本相對較高，極大抑制了IV型瓶的需求和發展。根據美國汽車研究理事會研究發現，高壓儲氫瓶生產規模越大，成本也就越低，當生產規模由1萬套提高到50萬套時，成本會下降五分之一。因此，隨著制備技術的發展及生產規模的擴大，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。
碳纖維復合材料在電池包殼體的應用
4.1 電池包殼體的發展
新能源動力電池穩定性和安全性一直以來都是備受人們關注的焦點。電池包殼體是新能源汽車電池系統的組成部分，由于其與電氣系統和汽車安全緊密相關，也是新能源汽車的關鍵零部件。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。
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。
4.2 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。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0.5 mm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%。
結語
金屬內膽纖維纏繞瓶(III型)和塑料內膽纖維纏繞瓶(IV型)是纖維復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、芳綸和聚對苯撐苯并二噁唑纖維等纖維均已用于制造纖維復合材料纏繞氣瓶，耐沖擊、阻燃、輕質的纖維復合材料同樣也會成為未來輕質動力電池包殼體的重要材料。
但受限于成本問題，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。
來源：合成纖維2023年第10期 第52卷
作者：李宗家，虎龍，李年華，戴俊宏
