Este artigo investiga as aplicações atuais e o progresso da pesquisa de compósitos de fibra de carbono em armazenamento de hidrogênio e invólucros de baterias para veículos de novas energias. Ele discute as tendências de classificação e desenvolvimento de cilindros de gás de alta pressão e invólucros de baterias, analisa as vantagens e desvantagens dos compósitos de fibra de carbono e antecipa as futuras aplicações e perspectivas de compósitos de fibra de alto desempenho no campo de novos veículos energéticos.

Visão geral dos compostos de fibra de carbono

O uso de materiais leves para reduzir o peso dos veículos tornou-se um método crucial para alcançar a redução de peso dos novos veículos energéticos. Com o desenvolvimento contínuo da ciência dos materiais, vários compósitos de fibra leve, como compósitos reforçados com fibra de vidro e compósitos reforçados com fibra de carbono, começaram a ser utilizados no campo de veículos de novas energias.

Os compósitos de fibra de carbono, conhecidos por sua baixa densidade, alta resistência, resistência à corrosão e resistência à fadiga, são os compósitos de fibra de alto desempenho mais amplamente utilizados no setor automotivo. Eles são amplamente utilizados em vários sistemas automotivos, como portas e tetos na carroceria do carro, hastes e balancins no sistema do motor, eixos de transmissão e lâminas de embreagem no sistema de transmissão e componentes do chassi, como estruturas da parte inferior da carroceria e peças de suspensão.

Com o rápido desenvolvimento de novos veículos energéticos, o armazenamento seguro da sua energia tornou-se um foco de investigação fundamental. Cilindros de gás de alta pressão para veículos movidos a hidrogênio e invólucros de baterias para veículos elétricos são os principais métodos de armazenamento de energia atualmente. Os compósitos de fibra de carbono, com suas inúmeras vantagens, começam a ganhar destaque nesse campo.

Introdução à fibra de carbono

As fibras de carbono são geralmente usadas como materiais de reforço, combinadas com matrizes de resina, metal ou cerâmica para formar compósitos de fibra de carbono. A Figura 1 mostra exemplos de tecidos de fibra de carbono e perfis compostos de fibra de carbono.

As fibras de carbono possuem as seguintes vantagens:

1. Baixa densidade e alta resistência: Com uma densidade de apenas 1,5 ~ 2,0 g/cm%², elas têm cerca de metade da densidade das ligas leves de alumínio, mas 4-5 vezes mais fortes que o aço e 6-7 vezes mais fortes que o alumínio.

2. Resistência a altas e baixas temperaturas: As fibras de carbono não derretem ou amolecem em atmosferas não oxidantes a 3.000% ° C e não se tornam quebradiças em temperaturas de nitrogênio líquido.

3. Boa condutividade elétrica: A 25% ° C, as fibras de carbono de alto módulo têm uma resistência específica de 775% Ω9% Ωcm, enquanto as fibras de carbono de alta resistência têm uma resistência específica de 1500% Ω9% Ωcm.

4. Resistência à corrosão ácida: As fibras de carbono resistem à corrosão do ácido clorídrico concentrado, ácido fosfórico e ácido sulfúrico.

Com base nos tipos de precursores, propriedades mecânicas e tamanhos dos feixes de filamentos, as fibras de carbono podem ser categorizadas em vários tipos, conforme mostrado na Tabela 1.

As fibras de carbono são normalmente classificadas por suas propriedades mecânicas, principalmente resistência à tração e módulo. Os tipos de alta resistência têm uma resistência de 2.000 MPa e um módulo de 250 GPa, enquanto os tipos de alto módulo excedem 300 GPa. Os tipos de resistência ultra-alta têm uma resistência superior a 4.000 MPa e os tipos de módulo ultra-alto têm um módulo superior a 450 GPa.

Aplicações atuais de compósitos de fibra de carbono na área automotiva

Com a crescente demanda por energia verde e eficiência, o nível de redução de peso automotivo continua a aumentar. Segundo dados da Associação Europeia do Alumínio, reduzir o peso de um veículo em 10% pode melhorar a eficiência energética em 6% a 8% e reduzir as emissões de poluentes em 10% por 100 quilómetros. Para veículos de novas energias, reduzir o peso em 100 kg pode aumentar a sua autonomia em cerca de 6% a 11%.

Compósitos de fibra de carbono leves e de alta resistência têm uma ampla gama de aplicações em automóveis. A Tabela 2 lista alguns modelos de veículos que utilizam compósitos de fibra de carbono, e a Figura 2 mostra o tamanho do mercado e a previsão do mercado global de fibra de carbono automotiva, que deverá atingir 20.100 toneladas até 2025.

Aplicações de Compósitos de Fibra de Carbono no Armazenamento de Hidrogênio

Devido à sua alta resistência, resistência à corrosão, resistência à fadiga, bom retardamento de chama e estabilidade dimensional, os compósitos de fibra de carbono são materiais ideais para armazenamento de hidrogênio em veículos de energia nova e gabinetes de baterias leves.

Tanques de armazenamento de hidrogênio de alta pressão

Cilindros de gás de alta pressão são o método amplamente adotado para armazenamento de hidrogênio por fabricantes nacionais e internacionais. Dependendo dos materiais, os tanques de armazenamento de hidrogênio de alta pressão são classificados em Tipo I, II, III e IV, feitos de aço puro, revestimentos de aço com envolvimento de fibra, revestimentos metálicos com envolvimento de fibra e revestimentos plásticos com envolvimento de fibra, respectivamente. conforme mostrado na Figura 3.

A Tabela 3 compara o desempenho de diferentes tipos de tanques de armazenamento de hidrogênio. O armazenamento de hidrogênio de alta pressão pode ser dividido em armazenamento fixo de alta pressão, armazenamento leve de alta pressão montado em veículo e armazenamento de transporte de alta pressão. Tanques fixos de armazenamento de alta pressão, normalmente tanques de hidrogênio de aço e vasos de pressão de aço, são usados ​​principalmente em estações de reabastecimento de hidrogênio, oferecendo baixo custo e desenvolvimento maduro.

Os tanques de armazenamento leves de alta pressão montados em veículos usam principalmente liga de alumínio ou revestimentos de plástico com revestimento de fibra de carbono para aumentar a resistência estrutural e reduzir o peso geral. Internacionalmente, tanques Tipo IV envoltos em fibra de carbono de 70 MPa são amplamente utilizados em veículos com células de combustível de hidrogênio, enquanto internamente, tanques Tipo III envoltos em fibra de carbono de 35 MPa são mais comuns, com menos aplicações para tanques Tipo III envoltos em fibra de carbono de 70 MPa.

Compostos de fibra de carbono em tanques de armazenamento de hidrogênio de alta pressão montados em veículos

Os tanques dos tipos III e IV são os principais para armazenamento de hidrogênio de alta pressão montado em veículos, consistindo principalmente de revestimentos e camadas envoltas em fibra. A Figura 4 mostra uma seção transversal de um tanque de armazenamento de hidrogênio de alta pressão composto de fibra de carbono Tipo IV. Os compósitos de fibra, enrolados helicoidalmente e em forma de arco ao redor do revestimento, aumentam principalmente a resistência estrutural do revestimento.

Atualmente, as fibras comuns usadas em tanques de armazenamento de hidrogênio de alta pressão montados em veículos incluem fibras de carbono, fibras de vidro, fibras de carboneto de silício, fibras de óxido de alumínio, fibras de aramida e fibras de poli(p-fenileno benzobisoxazol). Entre estes, as fibras de carbono estão gradualmente se tornando o principal material de fibra devido às suas excelentes propriedades.

Internamente, o desenvolvimento de tanques de armazenamento de hidrogénio de alta pressão está atrasado em relação aos avanços internacionais. Os Estados Unidos, Canadá e Japão alcançaram a produção em massa de tanques de armazenamento de hidrogênio de 70 MPa e começaram a usar tanques Tipo IV. Empresas norte-americanas como a General Motors melhoram a estrutura das camadas envolvidas em fibra de carbono, enquanto a canadense Dynetek melhora as camadas de enrolamento e transição, aumentando a resistência composta das fibras de carbono com matrizes de resina. No entanto, devido a questões como a vedação de plástico e metal, as regulamentações chinesas atualmente não permitem a sua utilização generalizada.

Instituições nacionais como a Universidade de Zhejiang e a Universidade de Tongji desenvolveram com sucesso tanques de armazenamento de hidrogênio de 70 MPa, e empresas como a Blue Sky Energy da Bohong Energy romperam o sistema de armazenamento de hidrogênio em veículos de 70 MPa. Além disso, empresas como Shenyang Starling, Beijing Ketaike e Beijing Tianhai também desenvolveram e testaram tanques de armazenamento de hidrogênio de 70 MPa.

Devido à tecnologia imatura e à dificuldade na produção em massa de tanques Tipo IV envoltos em fibra de carbono de 70 MPa no mercado interno, os altos custos de preparação inibem enormemente a demanda e o desenvolvimento de tanques Tipo IV. De acordo com uma pesquisa do Conselho de Pesquisa Automotiva dos EUA, quanto maior a escala de produção de tanques de armazenamento de hidrogênio de alta pressão, menores serão os custos. Quando a escala de produção aumenta de 10.000 para 500.000 conjuntos, os custos podem cair um quinto. Portanto, com o avanço da tecnologia de preparação e a expansão da escala de produção, os tanques de armazenamento de hidrogênio de alta pressão montados em veículos envoltos em fibra de carbono de alto nível certamente brilharão no futuro.

Aplicações de compostos de fibra de carbono em gabinetes de baterias

Desenvolvimento de gabinetes para baterias

A estabilidade e a segurança das novas baterias de energia sempre foram pontos focais de preocupação. Os invólucros das baterias são componentes-chave do novo sistema de baterias de veículos de energia, intimamente relacionados ao sistema elétrico e à segurança do veículo. A bateria de alimentação, coberta pelo invólucro, forma o corpo principal da bateria.

O invólucro da bateria desempenha um papel crucial na operação segura e na proteção dos módulos de bateria, exigindo materiais com resistência à corrosão, isolamento, resistência a impactos normais e de baixa temperatura (-25%°C) e retardador de chama. A Figura 5 mostra uma bateria de veículo de energia nova e sua decomposição.

Como transportador de módulos de bateria, o invólucro da bateria garante a operação estável e a proteção de segurança dos módulos de bateria, geralmente instalados na parte inferior do veículo para proteger as baterias de lítio contra danos devido a colisões e compressões externas. Os gabinetes tradicionais de baterias de veículos são fundidos em materiais como placas de aço e ligas de alumínio, com revestimentos de superfície para proteção. Com o desenvolvimento de veículos leves e economizadores de energia, os materiais do invólucro da bateria têm visto alternativas leves, como compósitos reforçados com fibra de vidro, compostos para moldagem de folhas e compósitos reforçados com fibra de carbono.

Os invólucros de aço para baterias são os materiais originais usados ​​para alimentar baterias, normalmente feitos de placas de aço soldadas, oferecendo alta resistência e rigidez, mas também alta densidade e massa, exigindo processos adicionais de proteção contra corrosão. Os invólucros de liga de alumínio são o material principal para baterias de energia, oferecendo peso leve (apenas 35% da densidade do aço), fácil processamento e conformação e resistência à corrosão.

Com o desenvolvimento de veículos leves e o avanço das tecnologias de moldagem de plásticos termoendurecíveis, novos plásticos e compósitos estão sendo gradualmente usados ​​como materiais para caixas de baterias. Os gabinetes de baterias de plástico termoendurecível pesam 35 kg, cerca de 35% mais leves que os gabinetes de metal, e podem transportar 340 kg de baterias.

Perspectivas de compostos de fibra de carbono em gabinetes de baterias

Os compósitos de fibra de carbono, com suas inúmeras vantagens, tornaram-se substitutos ideais para os tradicionais invólucros metálicos de baterias e já tiveram aplicações preliminares em alguns modelos de veículos. Por exemplo, a NIO, em colaboração com a SGL Carbon da Alemanha, desenvolveu uma bateria de fibra de carbono de 84 kWh, reduzindo o peso da carcaça em 40% em comparação com estruturas de alumínio, com uma densidade de energia superior a 180 (W%·h)/kg. O Instituto de Tecnologia Avançada de Tianjin e Lishen desenvolveram em conjunto um gabinete de bateria composto de fibra de carbono pesando aproximadamente 24 kg, reduzindo o peso em 50% em comparação com estruturas de liga de alumínio, com uma densidade de energia de até 210 (W%·h)/kg.

Pesquisadores como Duan Duanxiang et al. conduziram projetos leves e otimizações de processos de camadas para gabinetes de baterias compostas de fibra de carbono, reduzindo o peso do gabinete em 66% em comparação com estruturas de aço, ao mesmo tempo em que atendem às condições de trabalho relevantes. Zhao Xiaoyu et al. usou compósitos de fibra de carbono e o método de projeto de rigidez equivalente para gabinetes leves de baterias, alcançando uma redução de peso de 64% a 67,6% em comparação com estruturas de aço.

LIU et al. abordou o problema de design leve das tampas superiores de baterias compostas de fibra de carbono usando o método RBDO, alcançando uma redução de peso de 22,14% e atendendo aos requisitos de desempenho. Tan Lizhong et al. compararam três soluções: uma tampa superior de alumínio com 1,5 mm de espessura (Esquema 1), uma tampa superior de fibra de carbono com 1,5 mm de espessura (Esquema 2) e uma fibra de carbono de 0,5 mm painel alveolado de 3 mm de espessura tampa superior composta de fibra de carbono com 0,5 mm de espessura (Esquema 3). Eles descobriram que o Esquema 3 era ideal, reduzindo o peso em 31% em comparação com o Esquema 1.

Tanques envoltos em fibra com revestimento metálico (Tipo III) e tanques envoltos em fibra com revestimento plástico (Tipo IV) são os principais cilindros de gás envoltos em fibra composta. Fibras como fibra de vidro, fibra de carboneto de silício, fibra de óxido de alumínio, fibra de boro, fibra de carbono, fibra de aramida e fibra de poli (p-fenileno benzobisoxazol) têm sido usadas para fabricar cilindros de gás envoltos em compósito de fibra. Espera-se também que compósitos de fibra leves, resistentes a impactos e retardadores de chamas se tornem materiais importantes para futuros gabinetes de baterias leves.

No entanto, devido a restrições de custos, os compósitos de fibra de alto desempenho dominados pelos compósitos de fibra de carbono não têm sido amplamente aplicados em invólucros de baterias. Acredita-se que com o desenvolvimento de novas energias e a expansão das aplicações de compósitos de fibra, o custo do uso de compósitos de fibra diminuirá gradualmente. Os compósitos de fibra deverão brilhar no futuro novo mercado de energia.