In diesem Artikel werden die aktuellen Anwendungen und Forschungsfortschritte von Kohlefaserverbundwerkstoffen in Wasserstoffspeichern und Batteriepackgehäusen für Fahrzeuge mit neuer Energie untersucht. Es werden die Klassifizierungs- und Entwicklungstrends von Hochdruckgasflaschen und Batteriepackgehäusen erörtert, die Vor- und Nachteile von Kohlefaserverbundwerkstoffen analysiert und die zukünftigen Anwendungen und Perspektiven von Hochleistungsfaserverbundwerkstoffen im Bereich neuer Energiefahrzeuge vorweggenommen.

Übersicht über Kohlefaserverbundwerkstoffe

Der Einsatz von Leichtbaumaterialien zur Reduzierung des Fahrzeuggewichts ist zu einer entscheidenden Methode für die Leichtbauweise von Fahrzeugen mit neuer Energie geworden. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Materialwissenschaften werden verschiedene leichte Faserverbundwerkstoffe, wie beispielsweise glasfaserverstärkte Verbundwerkstoffe und kohlenstofffaserverstärkte Verbundwerkstoffe, zunehmend im Bereich neuer Energiefahrzeuge eingesetzt.

Kohlefaserverbundwerkstoffe, bekannt für ihre geringe Dichte, hohe Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Ermüdungsbeständigkeit, sind die am häufigsten verwendeten Hochleistungsfaserverbundwerkstoffe im Automobilbereich. Sie werden häufig in verschiedenen Automobilsystemen eingesetzt, beispielsweise in Türen und Dächern der Karosserie, in Stößelstangen und Kipphebeln im Motorsystem, in Antriebswellen und Kupplungsblättern im Getriebesystem sowie in Fahrwerkskomponenten wie Unterbodenrahmen und Aufhängungsteilen.

Mit der rasanten Entwicklung neuer Energiefahrzeuge ist die sichere Speicherung ihrer Antriebsenergie zu einem zentralen Forschungsschwerpunkt geworden. Hochdruckgasflaschen für Wasserstofffahrzeuge und Batteriegehäuse für Elektrofahrzeuge sind derzeit die wichtigsten Energiespeichermethoden. Kohlefaserverbundwerkstoffe mit ihren zahlreichen Vorteilen gewinnen in diesem Bereich zunehmend an Bedeutung.

Einführung in die Kohlefaser

Kohlenstofffasern werden im Allgemeinen als Verstärkungsmaterialien verwendet und mit Harz-, Metall- oder Keramikmatrizen kombiniert, um Kohlenstofffaserverbundwerkstoffe zu bilden. Abbildung 1 zeigt Beispiele für Carbonfasergewebe und Carbonfaserverbundprofile.

Kohlenstofffasern besitzen folgende Vorteile:

1. Geringe Dichte und hohe Festigkeit: Mit einer Dichte von nur 1,5 bis 2,0 g/cm³ sind sie etwa halb so dicht wie leichte Aluminiumlegierungen, aber 4- bis 5-mal fester als Stahl und 6- bis 7-mal fester als Aluminium.

2. Hohe Temperatur- und Kältebeständigkeit: Kohlenstofffasern schmelzen oder erweichen in nicht oxidierenden Atmosphären bei 3000 % nicht und werden bei Temperaturen von flüssigem Stickstoff nicht spröde.

3. Gute elektrische Leitfähigkeit: Bei 25 % °C haben hochmodulige Kohlenstofffasern einen spezifischen Widerstand von 775 % u03a9 · cm, während hochfeste Kohlenstofffasern einen spezifischen Widerstand von 1500 % u03a9 · cm haben.

4. Säurekorrosionsbeständigkeit: Kohlenstofffasern widerstehen der Korrosion durch konzentrierte Salzsäure, Phosphorsäure und Schwefelsäure.

Basierend auf Vorläufertypen, mechanischen Eigenschaften und Filamentbündelgrößen können Kohlenstofffasern in verschiedene Typen eingeteilt werden, wie in Tabelle 1 dargestellt.

Kohlenstofffasern werden typischerweise nach ihren mechanischen Eigenschaften klassifiziert, hauptsächlich nach Zugfestigkeit und Modul. Hochfeste Typen haben eine Festigkeit von 2000 MPa und einen Modul von 250 GPa, während hochmodulige Typen über 300 GPa liegen. Ultrahochfeste Typen haben eine Festigkeit von mehr als 4000 MPa und Typen mit ultrahohem Modul haben einen Modul von mehr als 450 GPa.

Aktuelle Anwendungen von Kohlefaserverbundwerkstoffen im Automobilbereich

Mit der steigenden Nachfrage nach grüner Energie und Effizienz nimmt der Leichtbau in der Automobilindustrie weiter zu. Nach Angaben der European Aluminium Association kann eine Reduzierung des Fahrzeuggewichts um 10 % die Energieeffizienz um 6 bis 8 % verbessern und den Schadstoffausstoß um 10 % pro 100 Kilometer senken. Bei Fahrzeugen mit neuer Energie kann eine Gewichtsreduzierung um 100 kg die Reichweite um etwa 6 bis 11 % erhöhen.

Leichte und hochfeste Kohlefaserverbundwerkstoffe finden vielfältige Einsatzmöglichkeiten im Automobil. In Tabelle 2 sind einige Fahrzeugmodelle aufgeführt, die Kohlefaserverbundwerkstoffe verwenden, und Abbildung 2 zeigt die Marktgröße und Prognose des weltweiten Kohlefasermarkts für die Automobilindustrie, der bis 2025 voraussichtlich 20.100 Tonnen erreichen wird.

Anwendungen von Kohlefaserverbundwerkstoffen in der Wasserstoffspeicherung

Aufgrund ihrer hohen Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Ermüdungsbeständigkeit, guten Flammhemmung und Dimensionsstabilität sind Kohlefaserverbundwerkstoffe ideale Materialien für die Wasserstoffspeicherung in neuen Energiefahrzeugen und leichten Batteriepackgehäusen.

Hochdruck-Wasserstoffspeichertanks

Hochdruckgasflaschen sind bei inländischen und internationalen Herstellern die am weitesten verbreitete Methode zur Wasserstoffspeicherung. Abhängig von den Materialien werden Hochdruck-Wasserstoffspeichertanks in Typ I, II, III und IV eingeteilt und bestehen aus reinem Stahl, Stahlauskleidungen mit Faserummantelung, Metallauskleidungen mit Faserummantelung bzw. Kunststoffauskleidungen mit Faserummantelung. wie in Abbildung 3 dargestellt.

Tabelle 3 vergleicht die Leistung verschiedener Arten von Wasserstoffspeichertanks. Hochdruck-Wasserstoffspeicher können in feste Hochdruckspeicher, leichte, auf Fahrzeugen montierte Hochdruckspeicher und Transport-Hochdruckspeicher unterteilt werden. Feste Hochdruckspeichertanks, typischerweise Wasserstofftanks aus Stahl und Druckbehälter aus Stahl, werden hauptsächlich an Wasserstofftankstellen eingesetzt und bieten niedrige Kosten und eine ausgereifte Entwicklung.

In Fahrzeugen montierte, leichte Hochdruckspeichertanks verwenden hauptsächlich Auskleidungen aus Aluminiumlegierung oder Kunststoff mit Kohlefaserummantelung, um die strukturelle Festigkeit zu erhöhen und das Gesamtgewicht zu reduzieren. Auf internationaler Ebene werden kohlefaserumwickelte 70-MPa-Tanks vom Typ IV häufig in Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeugen verwendet, während im Inland kohlefaserumwickelte 35-MPa-Tanks vom Typ III üblicher sind und weniger Anwendungen für 70 MPa kohlefaserumwickelte Typ-III-Tanks vorhanden sind.

Kohlefaserverbundwerkstoffe in fahrzeugmontierten Hochdruck-Wasserstoffspeichertanks

Tanks der Typen III und IV sind die gängigste Variante für die fahrzeugmontierte Hochdruck-Wasserstoffspeicherung und bestehen hauptsächlich aus Auskleidungen und mit Fasern umwickelten Schichten. Abbildung 4 zeigt einen Querschnitt eines Hochdruck-Wasserstoffspeichertanks vom Typ IV aus Kohlefaserverbundwerkstoff. Die spiral- und reifenförmig um den Liner gewickelten Faserverbundstoffe erhöhen vor allem die strukturelle Festigkeit des Liners.

Derzeit werden in fahrzeugmontierten Hochdruck-Wasserstoffspeichertanks üblicherweise Kohlenstofffasern, Glasfasern, Siliziumkarbidfasern, Aluminiumoxidfasern, Aramidfasern und Poly(p-phenylenbenzobisoxazol)-Fasern verwendet. Unter diesen werden Kohlenstofffasern aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften nach und nach zum Hauptfasermaterial.

Im Inland hinkt die Entwicklung von Hochdruck-Wasserstoffspeichern den internationalen Fortschritten hinterher. Die Vereinigten Staaten, Kanada und Japan haben die Massenproduktion von 70-MPa-Wasserstoffspeichertanks erreicht und mit der Verwendung von Typ-IV-Tanks begonnen. US-Unternehmen wie General Motors verbessern die Struktur von mit Kohlefasern umwickelten Schichten, während das kanadische Unternehmen Dynetek die Wickel- und Übergangsschichten verbessert und so die Verbundfestigkeit von Kohlefasern mit Harzmatrizen erhöht. Aufgrund von Problemen wie der Versiegelung von Kunststoffen und Metallen erlauben die chinesischen Vorschriften derzeit jedoch keinen weit verbreiteten Einsatz.

Inländische Institutionen wie die Zhejiang-Universität und die Tongji-Universität haben erfolgreich 70-MPa-Wasserstoffspeichertanks entwickelt, und Unternehmen wie Blue Sky Energy unter Bohong Energy haben das 70-MPa-Wasserstoffspeichersystem für Fahrzeuge durchbrochen. Darüber hinaus haben Unternehmen wie Shenyang Starling, Beijing Ketaike und Beijing Tianhai auch 70-MPa-Wasserstoffspeichertanks entwickelt und getestet.

Aufgrund der unausgereiften Technologie und der Schwierigkeiten bei der Massenproduktion von 70 MPa kohlefaserumwickelten Typ-IV-Tanks im Inland hemmen die hohen Vorbereitungskosten die Nachfrage und Entwicklung von Typ-IV-Tanks erheblich. Nach Untersuchungen des U.S. Automotive Research Council sind die Kosten umso geringer, je größer der Produktionsmaßstab von Hochdruck-Wasserstoffspeichertanks ist. Wenn der Produktionsumfang von 10.000 auf 500.000 Sets erhöht wird, können die Kosten um ein Fünftel sinken. Mit der Weiterentwicklung der Aufbereitungstechnologie und der Ausweitung des Produktionsmaßstabs werden daher in Fahrzeugen montierte Hochdruck-Wasserstoffspeichertanks mit hoher Kohlenstofffaserummantelung in Zukunft mit Sicherheit glänzen.

Anwendungen von Kohlefaserverbundwerkstoffen in Batteriegehäusen

Entwicklung von Batteriegehäusen

Die Stabilität und Sicherheit neuer Energiebatterien standen schon immer im Mittelpunkt der Sorge. Batteriepackgehäuse sind Schlüsselkomponenten des neuen Energiefahrzeugbatteriesystems und stehen in engem Zusammenhang mit dem elektrischen System und der Fahrzeugsicherheit. Der durch das Gehäuse abgedeckte Power-Akkupack bildet den Hauptkörper des Akkupacks.

Das Gehäuse des Batteriepacks spielt eine entscheidende Rolle für den sicheren Betrieb und Schutz von Batteriemodulen und erfordert Materialien mit Korrosionsbeständigkeit, Isolierung, Beständigkeit gegen Stöße bei normalen und niedrigen Temperaturen (-25 % °C) und Flammhemmung. Abbildung 5 zeigt einen Batteriesatz für ein neues Energiefahrzeug und seine Zerlegung.

Als Träger der Batteriemodule gewährleistet das Batteriepackgehäuse den stabilen Betrieb und den Sicherheitsschutz der Batteriemodule, die im Allgemeinen an der Unterseite des Fahrzeugs installiert werden, um Lithiumbatterien vor Schäden durch äußere Kollisionen und Kompressionen zu schützen. Herkömmliche Fahrzeugbatteriegehäuse werden aus Materialien wie Stahlplatten und Aluminiumlegierungen gegossen und zum Schutz mit Oberflächenbeschichtungen versehen. Mit der Entwicklung energiesparender und leichter Fahrzeuge wurden für Batteriegehäusematerialien leichte Alternativen wie glasfaserverstärkte Verbundwerkstoffe, Plattenformmassen und kohlenstofffaserverstärkte Verbundwerkstoffe eingeführt.

Batteriepackgehäuse aus Stahl sind die ursprünglichen Materialien, die für Power-Batteriepacks verwendet werden. Sie bestehen typischerweise aus geschweißten Stahlplatten und bieten eine hohe Festigkeit und Steifigkeit, aber auch eine hohe Dichte und Masse, was zusätzliche Korrosionsschutzverfahren erfordert. Gehäuse aus Aluminiumlegierung sind das gängige Material für Power-Batteriepacks und zeichnen sich durch geringes Gewicht (nur 35 % der Stahldichte), einfache Verarbeitung und Formung sowie Korrosionsbeständigkeit aus.

Mit der Entwicklung leichter Fahrzeuge und der Weiterentwicklung duroplastischer Kunststoffformtechnologien werden nach und nach neue Kunststoffe und Verbundwerkstoffe als Gehäusematerialien für Batteriepacks verwendet. Batteriepackgehäuse aus duroplastischem Kunststoff wiegen 35 kg, sind etwa 35 % leichter als Metallgehäuse und können 340 kg Batterien tragen.

Perspektiven von Kohlefaserverbundwerkstoffen in Batteriegehäusen

Kohlefaserverbundwerkstoffe mit ihren zahlreichen Vorteilen haben sich zu einem idealen Ersatz für herkömmliche Batteriegehäuse aus Metall entwickelt und wurden bereits in einigen Fahrzeugmodellen vorläufig eingesetzt. Beispielsweise hat NIO in Zusammenarbeit mit der deutschen SGL Carbon einen 84-kWh-Akku aus Kohlefaser entwickelt, der das Gehäusegewicht im Vergleich zu Aluminiumstrukturen um 40 % reduziert und eine Energiedichte von über 180 (W·h)/kg aufweist. Das Tianjin Institute of Advanced Technology und Lishen haben gemeinsam ein Batteriegehäuse aus Kohlefaserverbundstoff mit einem Gewicht von etwa 24 kg entwickelt, das das Gewicht im Vergleich zu Aluminiumlegierungsstrukturen um 50 % reduziert und eine Energiedichte von bis zu 210 (W·h)/kg aufweist.

Forscher wie Duan Duanxiang et al. haben Leichtbaukonstruktionen und Lagenprozessoptimierungen für Batteriepackgehäuse aus Kohlefaserverbundwerkstoff durchgeführt und so das Gehäusegewicht im Vergleich zu Stahlkonstruktionen um 66 % reduziert und gleichzeitig die relevanten Arbeitsbedingungen erfüllt. Zhao Xiaoyu et al. verwendete Kohlefaserverbundwerkstoffe und die steifigkeitsäquivalente Konstruktionsmethode für leichte Batteriepackgehäuse und erreichte eine Gewichtsreduzierung von 64 % bis 67,6 % im Vergleich zu Stahlkonstruktionen.

LIU et al. Das Unternehmen hat das Leichtbauproblem der oberen Abdeckungen von Batteriepacks aus Kohlefaserverbundstoff mit der RBDO-Methode gelöst und dabei eine Gewichtsreduzierung von 22,14 % bei gleichzeitiger Erfüllung der Leistungsanforderungen erreicht. Tan Lizhong et al. verglichen drei Lösungen: eine 1,5 mm dicke obere Abdeckung aus Aluminium (Schema 1), eine 1,5 mm dicke obere Abdeckung aus Kohlefaser (Schema 2) und eine 0,5 mm dicke Kohlefaser 3 mm dicke Wabenplatte 0,5 mm dicke obere Abdeckung aus Kohlefaserverbundwerkstoff (Schema 3). Sie fanden heraus, dass Schema 3 optimal war und das Gewicht im Vergleich zu Schema 1 um 31 % reduzierte.

Faserumwickelte Tanks mit Metallauskleidung (Typ III) und faserumwickelte Tanks mit Kunststoffauskleidung (Typ IV) sind die gängigsten mit Faserverbundwerkstoffen umwickelten Gasflaschen. Fasern wie Glasfasern, Siliziumkarbidfasern, Aluminiumoxidfasern, Borfasern, Kohlenstofffasern, Aramidfasern und Poly(p-phenylenbenzobisoxazol)-Fasern wurden zur Herstellung von mit Faserverbundwerkstoffen umwickelten Gasflaschen verwendet. Auch leichte, schlagfeste und flammhemmende Faserverbundwerkstoffe werden voraussichtlich wichtige Materialien für künftige Leichtbaugehäuse von Batteriepacks sein.

Aus Kostengründen wurden Hochleistungsfaserverbundwerkstoffe, bei denen Kohlefaserverbundwerkstoffe vorherrschen, jedoch nicht in großem Umfang in Batteriepackgehäusen eingesetzt. Es wird davon ausgegangen, dass mit der Entwicklung neuer Energien und der Ausweitung der Faserverbundanwendungen die Kosten für den Einsatz von Faserverbundwerkstoffen allmählich sinken werden. Faserverbundwerkstoffe werden auf dem zukünftigen Markt für neue Energien glänzen.