Αυτό το άρθρο διερευνά τις τρέχουσες εφαρμογές και την πρόοδο της έρευνας των σύνθετων υλικών από ανθρακονήματα σε περιβλήματα αποθήκευσης υδρογόνου και συστοιχιών μπαταριών για οχήματα νέας ενέργειας. Αναλύει τις τάσεις ταξινόμησης και ανάπτυξης των κυλίνδρων αερίου υψηλής πίεσης και των περιβλημάτων συστοιχιών μπαταριών, αναλύει τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα των σύνθετων υλικών από ανθρακονήματα και προβλέπει τις μελλοντικές εφαρμογές και τις προοπτικές των σύνθετων ινών υψηλής απόδοσης στον τομέα των οχημάτων νέας ενέργειας.

Επισκόπηση των σύνθετων ινών άνθρακα

Η χρήση ελαφρών υλικών για τη μείωση του βάρους του οχήματος έχει γίνει μια κρίσιμη μέθοδος για την επίτευξη του ελαφρού βάρους των οχημάτων νέας ενέργειας. Με τη συνεχή ανάπτυξη της επιστήμης των υλικών, διάφορα ελαφρά σύνθετα υλικά από ίνες, όπως σύνθετα υλικά ενισχυμένα με ίνες γυαλιού και σύνθετα υλικά ενισχυμένα με ίνες άνθρακα, έχουν αρχίσει να χρησιμοποιούνται στον τομέα των νέων ενεργειακών οχημάτων.

Τα σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα, γνωστά για τη χαμηλή πυκνότητα, την υψηλή αντοχή, την αντοχή στη διάβρωση και την αντοχή στην κόπωση, είναι τα πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα σύνθετα υλικά υψηλής απόδοσης στον τομέα της αυτοκινητοβιομηχανίας. Χρησιμοποιούνται εκτενώς σε διάφορα συστήματα αυτοκινήτου, όπως πόρτες και οροφές στο αμάξωμα του αυτοκινήτου, ωστήρια και βραχίονες στο σύστημα κινητήρα, άξονες μετάδοσης κίνησης και λεπίδες συμπλέκτη στο σύστημα μετάδοσης και εξαρτήματα πλαισίου όπως πλαίσια κάτω από το αμάξωμα και εξαρτήματα ανάρτησης.

Με την ταχεία ανάπτυξη νέων ενεργειακών οχημάτων, η ασφαλής αποθήκευση της ενέργειας ισχύος τους έχει γίνει βασικός στόχος της έρευνας. Οι φιάλες αερίου υψηλής πίεσης για οχήματα με ενέργεια υδρογόνου και τα περιβλήματα μπαταριών για ηλεκτρικά οχήματα είναι οι κύριες μέθοδοι αποθήκευσης ενέργειας επί του παρόντος. Τα σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα, με τα πολυάριθμα πλεονεκτήματά τους, αρχίζουν να αποκτούν εξέχουσα θέση στον τομέα αυτό.

Εισαγωγή στις ίνες άνθρακα

Οι ίνες άνθρακα χρησιμοποιούνται γενικά ως υλικά ενίσχυσης, σε συνδυασμό με μήτρες ρητίνης, μετάλλων ή κεραμικών για να σχηματίσουν σύνθετα υλικά από ίνες άνθρακα. Το Σχήμα 1 δείχνει παραδείγματα υφασμάτων από ανθρακονήματα και σύνθετα προφίλ από ανθρακονήματα.

Οι ίνες άνθρακα έχουν τα ακόλουθα πλεονεκτήματα:

1. Χαμηλή πυκνότητα και υψηλή αντοχή: Με πυκνότητα μόνο 1,5~2,0 g/εκ³, είναι περίπου η μισή πυκνότητα από τα ελαφρά κράματα αλουμινίου, αλλά 4-5 φορές ισχυρότερα από τον χάλυβα και 6-7 φορές ισχυρότερα από το αλουμίνιο.

2. Αντοχή σε υψηλές και χαμηλές θερμοκρασίες: Οι ίνες άνθρακα δεν λιώνουν ούτε μαλακώνουν σε μη οξειδωτικές ατμόσφαιρες στους 3000°C και δεν γίνονται εύθραυστες σε θερμοκρασίες υγρού αζώτου.

3. Καλή ηλεκτρική αγωγιμότητα: Στο 25°C, οι ίνες άνθρακα υψηλού συντελεστή έχουν ειδική αντίσταση 775Ω·εκ, ενώ οι ίνες άνθρακα υψηλής αντοχής έχουν ειδική αντίσταση 1500Ω·εκ.

4. Αντοχή στη διάβρωση σε οξύ: Οι ίνες άνθρακα αντιστέκονται στη διάβρωση από συμπυκνωμένο υδροχλωρικό οξύ, φωσφορικό οξύ και θειικό οξύ.

Με βάση τους τύπους προδρόμων, τις μηχανικές ιδιότητες και τα μεγέθη της δέσμης νημάτων, οι ίνες άνθρακα μπορούν να κατηγοριοποιηθούν σε διάφορους τύπους, όπως φαίνεται στον Πίνακα 1.

Οι ίνες άνθρακα ταξινομούνται τυπικά με βάση τις μηχανικές τους ιδιότητες, κυρίως την αντοχή σε εφελκυσμό και το μέτρο ελαστικότητας. Οι τύποι υψηλής αντοχής έχουν αντοχή 2000 MPa και συντελεστή 250 GPa, ενώ οι τύποι υψηλής αντοχής ξεπερνούν τα 300 GPa. Οι τύποι εξαιρετικά υψηλής αντοχής έχουν ισχύ μεγαλύτερη από 4000 MPa και οι τύποι εξαιρετικά υψηλού συντελεστή έχουν συντελεστή μεγαλύτερο από 450 GPa.

Τρέχουσες εφαρμογές των σύνθετων ινών άνθρακα στον τομέα της αυτοκινητοβιομηχανίας

Με τις αυξανόμενες απαιτήσεις για πράσινη ενέργεια και απόδοση, το επίπεδο του ελαφρού βάρους των αυτοκινήτων συνεχίζει να αυξάνεται. Σύμφωνα με στοιχεία της Ευρωπαϊκής Ένωσης Αλουμινίου, η μείωση του βάρους ενός οχήματος κατά 10% μπορεί να βελτιώσει την ενεργειακή απόδοση κατά 6% έως 8% και να μειώσει τις εκπομπές ρύπων κατά 10% ανά 100 χιλιόμετρα. Για οχήματα νέας ενέργειας, η μείωση του βάρους κατά 100 κιλά μπορεί να αυξήσει την αυτονομία τους κατά περίπου 6% έως 11%.

Τα ελαφριά και υψηλής αντοχής σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα έχουν ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών στα αυτοκίνητα. Ο Πίνακας 2 παραθέτει ορισμένα μοντέλα οχημάτων που χρησιμοποιούν σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα και το Σχήμα 2 δείχνει το μέγεθος της αγοράς και την πρόβλεψη της παγκόσμιας αγοράς ανθρακονημάτων για αυτοκίνητα, η οποία αναμένεται να φτάσει τους 20.100 τόνους έως το 2025.

Εφαρμογές σύνθετων ινών άνθρακα στην αποθήκευση υδρογόνου

Λόγω της υψηλής αντοχής, της αντοχής στη διάβρωση, της αντοχής στην κόπωση, της καλής επιβράδυνσης φλόγας και της σταθερότητας των διαστάσεων, τα σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα είναι ιδανικά υλικά για αποθήκευση υδρογόνου σε οχήματα νέας ενέργειας και ελαφριά περιβλήματα μπαταριών.

Δεξαμενές αποθήκευσης υδρογόνου υψηλής πίεσης

Οι φιάλες αερίου υψηλής πίεσης είναι η ευρέως διαδεδομένη μέθοδος αποθήκευσης υδρογόνου από εγχώριους και διεθνείς κατασκευαστές. Ανάλογα με τα υλικά, οι δεξαμενές αποθήκευσης υδρογόνου υψηλής πίεσης ταξινομούνται σε τύπους I, II, III και IV, κατασκευασμένες από καθαρό χάλυβα, χαλύβδινες επενδύσεις με περιτύλιγμα ινών, μεταλλικές επενδύσεις με περιτύλιγμα ινών και πλαστικές επενδύσεις με περιτύλιγμα ινών, αντίστοιχα. όπως φαίνεται στο σχήμα 3.

Ο Πίνακας 3 συγκρίνει την απόδοση διαφορετικών τύπων δεξαμενών αποθήκευσης υδρογόνου. Η αποθήκευση υδρογόνου υψηλής πίεσης μπορεί να χωριστεί σε σταθερή αποθήκευση υψηλής πίεσης, αποθήκευση υψηλής πίεσης για ελαφρύ όχημα και αποθήκευση υψηλής πίεσης μεταφοράς. Σταθερές δεξαμενές αποθήκευσης υψηλής πίεσης, συνήθως χαλύβδινες δεξαμενές υδρογόνου και χαλύβδινα δοχεία πίεσης, χρησιμοποιούνται κυρίως σε σταθμούς ανεφοδιασμού υδρογόνου, προσφέροντας χαμηλό κόστος και ώριμη ανάπτυξη.

Οι ελαφριές δεξαμενές αποθήκευσης υψηλής πίεσης που τοποθετούνται στο όχημα χρησιμοποιούν κυρίως επενδύσεις από κράμα αλουμινίου ή πλαστικές επενδύσεις με περιτύλιγμα από ανθρακονήματα για ενίσχυση της δομικής αντοχής και μείωση του συνολικού βάρους. Διεθνώς, οι δεξαμενές τύπου IV τυλιγμένες με ανθρακονήματα 70 MPa χρησιμοποιούνται ευρέως σε οχήματα κυψελών καυσίμου υδρογόνου, ενώ στην εγχώρια αγορά, οι δεξαμενές τύπου III με τυλιγμένες ίνες άνθρακα 35 MPa είναι πιο κοινές, με λιγότερες εφαρμογές για δεξαμενές τύπου III τυλιγμένες με ανθρακονήματα 70 MPa.

Σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα σε δεξαμενές αποθήκευσης υδρογόνου υψηλής πίεσης που τοποθετούνται σε όχημα

Οι δεξαμενές τύπου III και IV είναι το κύριο ρεύμα για την αποθήκευση υδρογόνου υψηλής πίεσης που τοποθετείται στο όχημα, που αποτελείται κυρίως από επενδύσεις και στρώματα τυλιγμένα με ίνες. Το σχήμα 4 δείχνει μια διατομή μιας σύνθετης δεξαμενής αποθήκευσης υδρογόνου υψηλής πίεσης τύπου IV από ανθρακονήματα. Τα σύνθετα υλικά ινών, τυλιγμένα ελικοειδώς και με κρίκο γύρω από την επένδυση, αυξάνουν κυρίως τη δομική αντοχή της επένδυσης.

Επί του παρόντος, οι κοινές ίνες που χρησιμοποιούνται σε δεξαμενές αποθήκευσης υδρογόνου υψηλής πίεσης που τοποθετούνται σε όχημα περιλαμβάνουν ίνες άνθρακα, ίνες γυαλιού, ίνες καρβιδίου του πυριτίου, ίνες οξειδίου του αλουμινίου, ίνες αραμιδίου και ίνες πολυ(π-φαινυλενίου βενζοβισοξαζόλης). Μεταξύ αυτών, οι ίνες άνθρακα γίνονται σταδιακά το κύριο υλικό ινών λόγω των εξαιρετικών ιδιοτήτων τους.

Στο εσωτερικό, η ανάπτυξη δεξαμενών αποθήκευσης υδρογόνου υψηλής πίεσης υστερεί σε σχέση με τις διεθνείς εξελίξεις. Οι Ηνωμένες Πολιτείες, ο Καναδάς και η Ιαπωνία έχουν επιτύχει μαζική παραγωγή δεξαμενών αποθήκευσης υδρογόνου 70 MPa και έχουν αρχίσει να χρησιμοποιούν δεξαμενές τύπου IV. Εταιρείες των ΗΠΑ όπως η Γενικός Κινητήρες ενισχύουν τη δομή των στρωμάτων τυλιγμένων με ανθρακονήματα, ενώ η Dynetek του Καναδά βελτιώνει τα στρώματα περιέλιξης και μετάβασης, ενισχύοντας τη σύνθετη αντοχή των ινών άνθρακα με μήτρες ρητίνης. Ωστόσο, λόγω ζητημάτων όπως η πλαστική και η μεταλλική σφράγιση, οι κινεζικοί κανονισμοί δεν επιτρέπουν επί του παρόντος την ευρεία χρήση τους.

Εγχώρια ιδρύματα όπως το Πανεπιστήμιο Zhejiang και το Πανεπιστήμιο Tongji έχουν αναπτύξει με επιτυχία δεξαμενές αποθήκευσης υδρογόνου 70 MPa και εταιρείες όπως η Μπλε Ουρανός Ενέργεια υπό την Bohong Ενέργεια έχουν σπάσει το σύστημα αποθήκευσης υδρογόνου οχημάτων 70 MPa. Επιπλέον, εταιρείες όπως η Σενγιάνγκ Ψαρόνι, η το Πεκίνο Κεταίκε και η το Πεκίνο Τιανχάι έχουν επίσης αναπτύξει και δοκιμάσει δεξαμενές αποθήκευσης υδρογόνου 70 MPa.

Λόγω της ανώριμης τεχνολογίας και της δυσκολίας στη μαζική παραγωγή δεξαμενών τύπου IV 70 MPa τυλιγμένων με ανθρακονήματα στο εσωτερικό, το υψηλό κόστος προετοιμασίας εμποδίζει σε μεγάλο βαθμό τη ζήτηση και την ανάπτυξη δεξαμενών τύπου IV. Σύμφωνα με έρευνα του Συμβουλίου Έρευνας Αυτοκινήτων των ΗΠΑ, όσο μεγαλύτερη είναι η κλίμακα παραγωγής των δεξαμενών αποθήκευσης υδρογόνου υψηλής πίεσης, τόσο χαμηλότερο είναι το κόστος. Όταν η κλίμακα παραγωγής αυξάνεται από 10.000 σε 500.000 σετ, το κόστος μπορεί να μειωθεί κατά το ένα πέμπτο. Ως εκ τούτου, με την πρόοδο της τεχνολογίας προετοιμασίας και την επέκταση της κλίμακας παραγωγής, οι δεξαμενές αποθήκευσης υδρογόνου υψηλής πίεσης υψηλού επιπέδου τυλιγμένες με ανθρακονήματα, τοποθετημένες σε όχημα, είναι βέβαιο ότι θα λάμπουν στο μέλλον.

Εφαρμογές σύνθετων ινών άνθρακα σε περιβλήματα πακέτων μπαταριών

Ανάπτυξη περιβλημάτων πακέτων μπαταριών

Η σταθερότητα και η ασφάλεια των νέων ενεργειακών μπαταριών ήταν πάντα κομβικά σημεία ανησυχίας. Τα περιβλήματα μπαταριών είναι βασικά στοιχεία του νέου ενεργειακού συστήματος μπαταριών οχημάτων, στενά συνδεδεμένα με το ηλεκτρικό σύστημα και την ασφάλεια του οχήματος. Η μπαταρία ισχύος, που καλύπτεται από το περίβλημα, αποτελεί το κύριο σώμα της μπαταρίας.

Το περίβλημα της μπαταρίας παίζει καθοριστικό ρόλο στην ασφαλή λειτουργία και προστασία των μονάδων μπαταρίας, απαιτώντας υλικά με αντοχή στη διάβρωση, μόνωση, αντοχή σε κανονικές κρούσεις και κρούσεις χαμηλής θερμοκρασίας (-25°C) και επιβράδυνση φλόγας. Το σχήμα 5 δείχνει μια νέα ενεργειακή μπαταρία οχήματος και την αποσύνθεσή της.

Ως φορέας των μονάδων μπαταριών, το περίβλημα της μπαταρίας διασφαλίζει τη σταθερή λειτουργία και την προστασία της ασφάλειας των μονάδων μπαταρίας, που γενικά είναι εγκατεστημένες στο κάτω μέρος του οχήματος για να προστατεύουν τις μπαταρίες λιθίου από ζημιές λόγω εξωτερικών συγκρούσεων και συμπιέσεων. Τα παραδοσιακά περιβλήματα μπαταριών οχημάτων χυτεύονται από υλικά όπως χαλύβδινες πλάκες και κράματα αλουμινίου, με επιφανειακές επικαλύψεις για προστασία. Με την ανάπτυξη οχημάτων εξοικονόμησης ενέργειας και ελαφρών οχημάτων, τα υλικά περιβλήματος μπαταριών έχουν δει ελαφριές εναλλακτικές λύσεις, όπως σύνθετα υλικά ενισχυμένα με ίνες γυαλιού, ενώσεις χύτευσης φύλλων και σύνθετα υλικά ενισχυμένα με ίνες άνθρακα.

Τα χαλύβδινα περιβλήματα μπαταριών είναι τα αρχικά υλικά που χρησιμοποιούνται για πακέτα μπαταριών ισχύος, συνήθως κατασκευασμένα από συγκολλημένες χαλύβδινες πλάκες, που προσφέρουν υψηλή αντοχή και ακαμψία αλλά και υψηλή πυκνότητα και μάζα, που απαιτούν πρόσθετες διαδικασίες αντιδιαβρωτικής προστασίας. Τα περιβλήματα από κράμα αλουμινίου είναι το κύριο υλικό για πακέτα μπαταριών ισχύος, προσφέροντας ελαφρύ βάρος (μόνο το 35% της πυκνότητας χάλυβα), εύκολη επεξεργασία και διαμόρφωση και αντοχή στη διάβρωση.

Με την ανάπτυξη ελαφρών οχημάτων και την πρόοδο των θερμοσκληρυνόμενων τεχνολογιών χύτευσης πλαστικών, νέα πλαστικά και σύνθετα υλικά χρησιμοποιούνται σταδιακά ως υλικά περιβλήματος πακέτων μπαταριών. Τα θερμοσκληρυνόμενα πλαστικά περιβλήματα μπαταριών ζυγίζουν 35 κιλό, περίπου 35% ελαφρύτερα από τα μεταλλικά περιβλήματα και μπορούν να μεταφέρουν 340 κιλό μπαταριών.

Προοπτικές των σύνθετων ινών άνθρακα σε περιβλήματα πακέτων μπαταριών

Τα σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα, με τα πολυάριθμα πλεονεκτήματά τους, έχουν γίνει ιδανικά υποκατάστατα των παραδοσιακών μεταλλικών περιβλημάτων μπαταριών και έχουν ήδη δει προκαταρκτικές εφαρμογές σε ορισμένα μοντέλα οχημάτων. Για παράδειγμα, η ΝΙΟ, σε συνεργασία με τη γερμανική SGL Ανθρακας, ανέπτυξε ένα πακέτο μπαταριών από ανθρακονήματα 84 kWh, μειώνοντας το βάρος του κελύφους κατά 40% σε σύγκριση με τις κατασκευές αλουμινίου, με ενεργειακή πυκνότητα που υπερβαίνει τα 180 (W·h)/κιλό. Το Ινστιτούτο Προηγμένης Τεχνολογίας Τιαντζίν και η Lishen ανέπτυξαν από κοινού ένα περίβλημα σύνθετης μπαταρίας από ανθρακονήματα βάρους περίπου 24 κιλό, μειώνοντας το βάρος κατά 50% σε σύγκριση με δομές από κράμα αλουμινίου, με ενεργειακή πυκνότητα έως και 210 (W·h)/κιλό.

Ερευνητές όπως ο Duan Duanxiang et al. έχουν πραγματοποιήσει ελαφρούς σχεδιασμούς και βελτιστοποιήσεις διεργασιών για περιβλήματα σύνθετων μπαταριών από ανθρακονήματα, μειώνοντας το βάρος του περιβλήματος κατά 66% σε σύγκριση με τις μεταλλικές κατασκευές ενώ πληρούν τις σχετικές συνθήκες εργασίας. Οι Ζάο Xiaoyu et al. χρησιμοποιήθηκαν σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα και η μέθοδος σχεδίασης ισοδύναμης ακαμψίας για ελαφριά περιβλήματα μπαταριών, επιτυγχάνοντας μείωση βάρους από 64% έως 67,6% σε σύγκριση με τις μεταλλικές κατασκευές.

LIU et al. αντιμετώπισε το ελαφρύ πρόβλημα σχεδιασμού των άνω καλυμμάτων της σύνθετης μπαταρίας από ανθρακονήματα χρησιμοποιώντας τη μέθοδο RBDO, επιτυγχάνοντας μείωση βάρους 22,14% ενώ πληρούσε τις απαιτήσεις απόδοσης. Οι Βυρσοδέψω Lizhong et αϊ. συνέκρινε τρεις λύσεις: ένα άνω κάλυμμα από αλουμίνιο πάχους 1,5 mm (Σχήμα 1), ένα άνω κάλυμμα από ανθρακονήματα πάχους 1,5 mm (Σχήμα 2) και ένα κάλυμμα από ίνες άνθρακα 0,5 mm κηρήθρα πάχους 3 mm σύνθετο άνω κάλυμμα από ανθρακονήματα πάχους 0,5 mm (Σχήμα 3). Διαπίστωσαν ότι το Σχήμα 3 ήταν το βέλτιστο, μειώνοντας το βάρος κατά 31% σε σύγκριση με το Σχήμα 1.

Οι δεξαμενές τυλιγμένες με μεταλλικές ίνες (Τύπος III) και οι δεξαμενές με πλαστική επένδυση με ίνες (Τύπος IV) είναι οι κύριοι κύλινδροι αερίου με σύνθετες ίνες. Ίνες όπως ίνες γυαλιού, ίνες καρβιδίου του πυριτίου, ίνες οξειδίου του αλουμινίου, ίνες βορίου, ίνες άνθρακα, ίνες αραμιδίου και ίνες πολυ(π-φαινυλενοβενζοδισοξαζόλης) έχουν χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή κυλίνδρων αερίου τυλιγμένες με σύνθετες ίνες. Τα ελαφριά, ανθεκτικά στην κρούση και επιβραδυντικά φλόγας σύνθετα υλικά από ίνες αναμένεται επίσης να γίνουν σημαντικά υλικά για μελλοντικά ελαφριά περιβλήματα μπαταριών.

Ωστόσο, λόγω των περιορισμών κόστους, τα σύνθετα υλικά υψηλής απόδοσης, στα οποία κυριαρχούν τα σύνθετα ανθρακονήματα, δεν έχουν εφαρμοστεί ευρέως σε περιβλήματα συστοιχιών μπαταριών. Πιστεύεται ότι με την ανάπτυξη της νέας ενέργειας και την επέκταση των εφαρμογών σύνθετων ινών, το κόστος χρήσης σύνθετων ινών θα μειωθεί σταδιακά. Τα σύνθετα υλικά ινών πρόκειται να λάμψουν στη μελλοντική νέα αγορά ενέργειας.