บทความนี้จะศึกษาการใช้งานในปัจจุบันและความคืบหน้าการวิจัยของคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ในการจัดเก็บไฮโดรเจนและเปลือกหุ้มแบตเตอรี่สำหรับรถยนต์พลังงานใหม่ โดยจะกล่าวถึงการจำแนกประเภทและแนวโน้มการพัฒนาของถังแก๊สแรงดันสูงและเปลือกหุ้มชุดแบตเตอรี่ วิเคราะห์ข้อดีและข้อเสียของคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ และคาดการณ์การใช้งานในอนาคตและแนวโน้มของคอมโพสิตไฟเบอร์ประสิทธิภาพสูงในด้านยานพาหนะพลังงานใหม่

ภาพรวมของคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์

การใช้วัสดุน้ำหนักเบาเพื่อลดน้ำหนักของยานพาหนะกลายเป็นวิธีการสำคัญในการลดน้ำหนักของยานพาหนะพลังงานใหม่ ด้วยการพัฒนาอย่างต่อเนื่องในด้านวัสดุศาสตร์ คอมโพสิตไฟเบอร์น้ำหนักเบาต่างๆ เช่น คอมโพสิตเสริมใยแก้ว และคอมโพสิตเสริมคาร์บอนไฟเบอร์ ได้เริ่มถูกนำมาใช้ในด้านยานยนต์พลังงานใหม่

คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ซึ่งเป็นที่รู้จักในด้านความหนาแน่นต่ำ ความแข็งแรงสูง ความต้านทานการกัดกร่อน และความต้านทานต่อความเมื่อยล้า เป็นคอมโพสิตไฟเบอร์ประสิทธิภาพสูงที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุดในภาคยานยนต์ มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในระบบยานยนต์ต่างๆ เช่น ประตูและหลังคาในตัวรถ ก้านกระทุ้งและตัวโยกในระบบเครื่องยนต์ เพลาขับและใบคลัตช์ในระบบส่งกำลัง และส่วนประกอบของแชสซี เช่น เฟรมใต้ท้องรถและชิ้นส่วนระบบกันสะเทือน

ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของรถยนต์พลังงานใหม่ การจัดเก็บพลังงานไฟฟ้าอย่างปลอดภัยจึงกลายเป็นจุดสนใจหลักของการวิจัย ถังก๊าซแรงดันสูงสำหรับรถยนต์พลังงานไฮโดรเจนและกล่องแบตเตอรี่สำหรับรถยนต์ไฟฟ้าเป็นวิธีการจัดเก็บพลังงานหลักในปัจจุบัน คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ซึ่งมีข้อดีมากมาย กำลังเริ่มมีชื่อเสียงในด้านนี้

รู้เบื้องต้นเกี่ยวกับคาร์บอนไฟเบอร์

โดยทั่วไปแล้วเส้นใยคาร์บอนจะถูกใช้เป็นวัสดุเสริมแรง รวมกับเรซิน โลหะ หรือเมทริกซ์เซรามิกเพื่อสร้างเป็นวัสดุคอมโพสิตของคาร์บอนไฟเบอร์ รูปที่ 1 แสดงตัวอย่างผ้าคาร์บอนไฟเบอร์และโปรไฟล์คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์

คาร์บอนไฟเบอร์มีข้อดีดังต่อไปนี้:

1. ความหนาแน่นต่ำและความแข็งแรงสูง: ด้วยความหนาแน่นเพียง 1.5~2.0 g/ซม³ มีความหนาแน่นประมาณครึ่งหนึ่งของโลหะผสมอลูมิเนียมน้ำหนักเบา แต่แข็งแกร่งกว่าเหล็ก 4-5 เท่า และแข็งแกร่งกว่าอลูมิเนียม 6-7 เท่า

2. ทนต่ออุณหภูมิสูงและอุณหภูมิต่ำ: เส้นใยคาร์บอนไม่ละลายหรืออ่อนตัวลงในบรรยากาศที่ไม่ออกซิไดซ์ที่ 3000°C และไม่เปราะที่อุณหภูมิไนโตรเจนเหลว

3. ค่าการนำไฟฟ้าที่ดี: ที่ 25°C เส้นใยคาร์บอนโมดูลัสสูงมีความต้านทานจำเพาะ 775Ω·ซม ในขณะที่เส้นใยคาร์บอนความแข็งแรงสูงมีความต้านทานจำเพาะ 1500Ω·ซม

4. ความต้านทานการกัดกร่อนของกรด: เส้นใยคาร์บอนต้านทานการกัดกร่อนจากกรดไฮโดรคลอริกเข้มข้น กรดฟอสฟอริก และกรดซัลฟิวริก

ขึ้นอยู่กับประเภทของสารตั้งต้น สมบัติทางกล และขนาดมัดเส้นใย เส้นใยคาร์บอนสามารถแบ่งได้หลายประเภท ดังแสดงในตารางที่ 1

โดยทั่วไปแล้วเส้นใยคาร์บอนจะถูกจำแนกตามคุณสมบัติทางกล โดยส่วนใหญ่เป็นค่าความต้านทานแรงดึงและโมดูลัส ประเภทความแข็งแรงสูงจะมีความแข็งแกร่ง 2000 MPa และโมดูลัส 250 เกรดเฉลี่ย ในขณะที่ประเภทโมดูลัสสูงเกิน 300 เกรดเฉลี่ย ประเภทความแข็งแรงสูงพิเศษมีความแข็งแกร่งมากกว่า 4000 MPa และประเภทโมดูลัสสูงพิเศษมีโมดูลัสมากกว่า 450 เกรดเฉลี่ย

การใช้งานในปัจจุบันของคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ในสาขายานยนต์

ด้วยความต้องการพลังงานสีเขียวและประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้น ระดับการลดน้ำหนักของยานยนต์ยังคงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง ตามข้อมูลจาก ยุโรป อลูมิเนียม สมาคม การลดน้ำหนักของยานพาหนะลง 10% สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้พลังงานได้ 6% ถึง 8% และลดการปล่อยมลพิษลง 10% ต่อ 100 กิโลเมตร สำหรับรถยนต์พลังงานใหม่ การลดน้ำหนักลง 100 กก. สามารถเพิ่มระยะได้ประมาณ 6% ถึง 11%

คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์น้ำหนักเบาและมีความแข็งแรงสูงมีการใช้งานที่หลากหลายในรถยนต์ ตารางที่ 2 แสดงรายการรถยนต์บางรุ่นที่ใช้วัสดุคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ และรูปที่ 2 แสดงขนาดตลาดและการคาดการณ์ของตลาดคาร์บอนไฟเบอร์สำหรับยานยนต์ทั่วโลก ซึ่งคาดว่าจะสูงถึง 20,100 ตันภายในปี 2568

การประยุกต์คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ในการกักเก็บไฮโดรเจน

เนื่องจากความแข็งแรงสูง ทนต่อการกัดกร่อน ทนต่อความเมื่อยล้า สารหน่วงไฟที่ดี และความเสถียรของขนาด คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์จึงเป็นวัสดุที่เหมาะสำหรับการจัดเก็บไฮโดรเจนในยานพาหนะพลังงานใหม่และกล่องแบตเตอรี่น้ำหนักเบา

ถังเก็บไฮโดรเจนแรงดันสูง

ถังแก๊สแรงดันสูงเป็นวิธีการจัดเก็บไฮโดรเจนที่ผู้ผลิตในประเทศและต่างประเทศนำมาใช้กันอย่างแพร่หลาย ถังเก็บไฮโดรเจนแรงดันสูงแบ่งออกเป็นประเภท I, ครั้งที่สอง, สาม และ IV ทำจากเหล็กบริสุทธิ์ ไลเนอร์เหล็กหุ้มด้วยไฟเบอร์ ไลเนอร์โลหะหุ้มด้วยไฟเบอร์ และไลเนอร์พลาสติกหุ้มด้วยไฟเบอร์ ตามลำดับ ดังแสดงในรูปที่ 3

ตารางที่ 3 เปรียบเทียบประสิทธิภาพของถังเก็บไฮโดรเจนประเภทต่างๆ การจัดเก็บไฮโดรเจนแรงดันสูงสามารถแบ่งออกเป็นการจัดเก็บแรงดันสูงคงที่ การจัดเก็บแรงดันสูงที่ติดตั้งในยานพาหนะน้ำหนักเบา และการจัดเก็บแรงดันสูงสำหรับการขนส่ง ถังเก็บแรงดันสูงแบบคงที่ ซึ่งโดยทั่วไปคือถังไฮโดรเจนที่เป็นเหล็กและภาชนะรับความดันที่เป็นเหล็ก ส่วนใหญ่จะใช้งานที่สถานีเติมเชื้อเพลิงไฮโดรเจน โดยมีต้นทุนต่ำและการพัฒนาที่สมบูรณ์

ถังเก็บแรงดันสูงน้ำหนักเบาที่ติดตั้งในยานพาหนะส่วนใหญ่ใช้อลูมิเนียมอัลลอยด์หรือแผ่นพลาสติกที่มีการหุ้มด้วยคาร์บอนไฟเบอร์เพื่อเพิ่มความแข็งแรงของโครงสร้างและลดน้ำหนักโดยรวม ในระดับสากล ถัง พิมพ์ IV ที่หุ้มด้วยคาร์บอนไฟเบอร์ขนาด 70 MPa นั้นมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในรถยนต์เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน ในขณะที่ในประเทศนั้น ถัง พิมพ์ สาม ที่หุ้มด้วยคาร์บอนไฟเบอร์ขนาด 35 MPa นั้นพบได้ทั่วไปมากกว่า โดยมีการใช้งานน้อยกว่าสำหรับถัง พิมพ์ สาม ที่หุ้มด้วยคาร์บอนไฟเบอร์ขนาด 70 MPa

คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ในถังเก็บไฮโดรเจนแรงดันสูงที่ติดตั้งในยานพาหนะ

ถังประเภท สาม และ IV เป็นกระแสหลักสำหรับการจัดเก็บไฮโดรเจนแรงดันสูงที่ติดตั้งในยานพาหนะ ซึ่งประกอบด้วยชั้นบุรองและชั้นที่พันด้วยเส้นใยเป็นส่วนใหญ่ รูปที่ 4 แสดงภาพตัดขวางของถังเก็บไฮโดรเจนแรงดันสูงชนิดคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ เส้นใยคอมโพสิตที่พันเป็นเกลียวและเป็นห่วงรอบๆ ไลเนอร์ จะเพิ่มความแข็งแรงของโครงสร้างของไลเนอร์เป็นหลัก

ปัจจุบัน เส้นใยทั่วไปที่ใช้ในถังเก็บไฮโดรเจนแรงดันสูงที่ติดตั้งในยานพาหนะ ได้แก่ เส้นใยคาร์บอน ใยแก้ว เส้นใยซิลิคอนคาร์ไบด์ เส้นใยอะลูมิเนียมออกไซด์ เส้นใยอะรามิด และเส้นใยโพลี (p-ฟีนิลีน เบนโซบิซอกซาโซล) ในบรรดาสิ่งเหล่านี้ คาร์บอนไฟเบอร์กำลังค่อยๆ กลายเป็นวัสดุเส้นใยกระแสหลักเนื่องจากมีคุณสมบัติที่ดีเยี่ยม

ในประเทศ การพัฒนาถังเก็บไฮโดรเจนแรงดันสูงยังตามหลังความก้าวหน้าระดับนานาชาติ สหรัฐอเมริกา แคนาดา และญี่ปุ่นประสบความสำเร็จในการผลิตถังเก็บไฮโดรเจนขนาด 70 MPa จำนวนมาก และเริ่มใช้ถัง พิมพ์ IV บริษัทในสหรัฐฯ เช่น ทั่วไป มอเตอร์ ปรับปรุงโครงสร้างของชั้นที่ห่อด้วยคาร์บอนไฟเบอร์ ในขณะที่ ไดเนเทค ของแคนาดาปรับปรุงชั้นการม้วนและการเปลี่ยนผ่าน โดยเพิ่มความแข็งแรงของคอมโพสิตของเส้นใยคาร์บอนด้วยเมทริกซ์เรซิน อย่างไรก็ตาม เนื่องจากปัญหาต่างๆ เช่น การปิดผนึกด้วยพลาสติกและโลหะ ปัจจุบันกฎระเบียบของจีนจึงไม่อนุญาตให้ใช้อย่างแพร่หลาย

สถาบันในประเทศ เช่น มหาวิทยาลัยเจ้อเจียง และมหาวิทยาลัยถงจี้ ประสบความสำเร็จในการพัฒนาถังเก็บไฮโดรเจนขนาด 70 MPa และบริษัทอย่าง สีฟ้า ท้องฟ้า พลังงาน ภายใต้ โบโฮง พลังงาน ได้ทำลายระบบกักเก็บไฮโดรเจนในรถยนต์ขนาด 70 MPa นอกจากนี้ บริษัทต่างๆ เช่น เสิ่นหยาง สตาร์ลิ่ง, ปักกิ่ง คีตาเก และ ปักกิ่ง เทียนไห่ ยังได้พัฒนาและทดสอบถังเก็บไฮโดรเจนขนาด 70 MPa อีกด้วย

เนื่องจากเทคโนโลยีที่ยังไม่สมบูรณ์และความยากลำบากในการผลิตจำนวนมากของถัง พิมพ์ IV ที่หุ้มด้วยคาร์บอนไฟเบอร์ 70 MPa ภายในประเทศ ค่าใช้จ่ายในการเตรียมการที่สูงจะขัดขวางความต้องการและการพัฒนาของรถถัง พิมพ์ IV ได้อย่างมาก จากการวิจัยของสภาวิจัยยานยนต์แห่งสหรัฐอเมริกา ยิ่งขนาดการผลิตถังเก็บไฮโดรเจนแรงดันสูงมีขนาดใหญ่ขึ้น ต้นทุนก็จะยิ่งต่ำลง เมื่อขนาดการผลิตเพิ่มขึ้นจาก 10,000 เป็น 500,000 ชุด ต้นทุนอาจลดลงหนึ่งในห้า ดังนั้น ด้วยความก้าวหน้าของเทคโนโลยีการเตรียมการและการขยายขนาดการผลิต ถังเก็บไฮโดรเจนแรงดันสูงที่ติดตั้งในยานพาหนะหุ้มด้วยคาร์บอนไฟเบอร์ระดับสูงจึงมีความโดดเด่นในอนาคต

การใช้คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ในเปลือกแบตเตอรี่

การพัฒนาเปลือกหุ้มชุดแบตเตอรี่

ความเสถียรและความปลอดภัยของแบตเตอรี่พลังงานใหม่เป็นจุดสนใจเสมอมา กล่องหุ้มชุดแบตเตอรี่เป็นส่วนประกอบสำคัญของระบบแบตเตอรี่รถยนต์พลังงานใหม่ ซึ่งเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับระบบไฟฟ้าและความปลอดภัยของยานพาหนะ ชุดแบตเตอรี่สำรองที่หุ้มด้วยกล่องหุ้ม ถือเป็นส่วนหลักของชุดแบตเตอรี่

กล่องหุ้มชุดแบตเตอรี่มีบทบาทสำคัญในการทำงานที่ปลอดภัยและการปกป้องโมดูลแบตเตอรี่ โดยต้องใช้วัสดุที่มีความต้านทานการกัดกร่อน ฉนวน ความต้านทานต่อแรงกระแทกปกติและอุณหภูมิต่ำ (-25°C) และสารหน่วงไฟ รูปที่ 5 แสดงชุดแบตเตอรี่สำหรับยานยนต์พลังงานใหม่และการสลายตัวของแบตเตอรี่

ในฐานะผู้ให้บริการโมดูลแบตเตอรี่ กล่องหุ้มชุดแบตเตอรี่ช่วยให้มั่นใจได้ถึงการทำงานที่มั่นคงและการปกป้องความปลอดภัยของโมดูลแบตเตอรี่ ซึ่งโดยทั่วไปจะติดตั้งไว้ที่ด้านล่างของรถเพื่อป้องกันแบตเตอรี่ลิเธียมจากความเสียหายเนื่องจากการชนภายนอกและการกดทับ กล่องแบตเตอรี่รถยนต์แบบดั้งเดิมหล่อจากวัสดุ เช่น แผ่นเหล็กและโลหะผสมอะลูมิเนียม พร้อมการเคลือบพื้นผิวเพื่อการปกป้อง ด้วยการพัฒนาของยานพาหนะประหยัดพลังงานและน้ำหนักเบา วัสดุหุ้มแบตเตอรี่ได้เห็นทางเลือกที่มีน้ำหนักเบา เช่น คอมโพสิตที่เสริมด้วยใยแก้ว สารประกอบการขึ้นรูปแบบแผ่น และวัสดุคอมโพสิตที่เสริมด้วยคาร์บอนไฟเบอร์

กล่องหุ้มชุดแบตเตอรี่ที่เป็นเหล็กเป็นวัสดุดั้งเดิมที่ใช้สำหรับชุดแบตเตอรี่จ่ายไฟ ซึ่งโดยทั่วไปจะทำจากแผ่นเหล็กเชื่อม ซึ่งมีความแข็งแรงและความแข็งแกร่งสูง แต่มีความหนาแน่นและมวลสูง ซึ่งต้องมีกระบวนการป้องกันการกัดกร่อนเพิ่มเติม กรอบอะลูมิเนียมอัลลอยด์เป็นวัสดุหลักสำหรับชุดแบตเตอรี่สำรอง โดยมีน้ำหนักเบา (มีความหนาแน่นของเหล็กเพียง 35%) แปรรูปและขึ้นรูปได้ง่าย และทนต่อการกัดกร่อน

ด้วยการพัฒนายานพาหนะน้ำหนักเบาและความก้าวหน้าของเทคโนโลยีการขึ้นรูปพลาสติกแบบเทอร์โมเซตติง พลาสติกและคอมโพสิตชนิดใหม่จึงค่อยๆ ถูกนำมาใช้เป็นวัสดุสำหรับห่อหุ้มแบตเตอรี่ กล่องหุ้มแบตเตอรี่แบบเทอร์โมเซตติงมีน้ำหนัก 35 กก. ซึ่งเบากว่ากล่องโลหะประมาณ 35% และสามารถรองรับแบตเตอรี่ได้ 340 กก.

แนวโน้มของคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ในเปลือกแบตเตอรี่

คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ซึ่งมีข้อดีหลายประการ ได้กลายเป็นวัสดุทดแทนที่สมบูรณ์แบบสำหรับกล่องแบตเตอรี่โลหะแบบดั้งเดิม และได้เห็นการใช้งานเบื้องต้นในรถยนต์บางรุ่นแล้ว ตัวอย่างเช่น นีโอ ร่วมมือกับ เอสจีแอล คาร์บอน ของเยอรมนี พัฒนาชุดแบตเตอรี่คาร์บอนไฟเบอร์ขนาด 84 กิโลวัตต์ชั่วโมง ซึ่งลดน้ำหนักของเปลือกลงได้ 40% เมื่อเทียบกับโครงสร้างอะลูมิเนียม โดยมีความหนาแน่นของพลังงานเกิน 180 (W·h)/กก. สถาบันเทคโนโลยีขั้นสูงเทียนจินและ ลี่เซิน ร่วมกันพัฒนากล่องแบตเตอรี่คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ซึ่งมีน้ำหนักประมาณ 24 กก. ซึ่งลดน้ำหนักลงได้ 50% เมื่อเทียบกับโครงสร้างโลหะผสมอะลูมิเนียม โดยมีความหนาแน่นของพลังงานสูงถึง 210 (W·h)/กก.

นักวิจัยเช่น ด้วน ด้วนเซียง และคณะ ได้ดำเนินการออกแบบน้ำหนักเบาและเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการชั้นสำหรับกล่องแบตเตอรี่คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ ซึ่งช่วยลดน้ำหนักของกล่องได้ 66% เมื่อเทียบกับโครงสร้างเหล็ก ในขณะเดียวกันก็เป็นไปตามสภาพการทำงานที่เกี่ยวข้อง จ้าว เสี่ยวหยู และคณะ ใช้วัสดุคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์และวิธีการออกแบบที่เทียบเท่ากับความแข็งสำหรับกล่องแบตเตอรี่น้ำหนักเบา ซึ่งลดน้ำหนักลงได้ 64% เหลือ 67.6% เมื่อเทียบกับโครงสร้างเหล็ก

หลิวและคณะ แก้ไขปัญหาการออกแบบน้ำหนักเบาของฝาครอบด้านบนของชุดแบตเตอรี่คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์โดยใช้วิธี อาร์บีดีโอ ซึ่งลดน้ำหนักลงได้ 22.14% ในขณะที่ตรงตามข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพ ตัน ลี่จง และคณะ เปรียบเทียบสามวิธีแก้ปัญหา: ฝาครอบด้านบนอะลูมิเนียมหนา 1.5 มม. (โครงการ 1), ฝาครอบด้านบนคาร์บอนไฟเบอร์หนา 1.5 มม. (โครงการ 2) และคาร์บอนไฟเบอร์ 0.5 มม. แผงรังผึ้งหนา 3 มม. ฝาครอบด้านบนคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์หนา 0.5 มม. (โครงการที่ 3). พวกเขาพบว่าโครงการที่ 3 มีความเหมาะสม โดยลดน้ำหนักลง 31% เมื่อเทียบกับโครงการที่ 1

ถังแก๊สที่พันด้วยเส้นใยซับในโลหะ (ประเภท สาม) และถังบรรจุด้วยเส้นใยที่ซับด้วยพลาสติก (ประเภท 4) เป็นถังแก๊สที่พันด้วยไฟเบอร์คอมโพสิตกระแสหลัก เส้นใย เช่น ใยแก้ว เส้นใยซิลิกอนคาร์ไบด์ เส้นใยอลูมิเนียมออกไซด์ เส้นใยโบรอน คาร์บอนไฟเบอร์ เส้นใยอะรามิด และเส้นใยโพลี (p-ฟีนิลีน เบนโซบิซอกซาโซล) ถูกนำมาใช้เพื่อผลิตถังก๊าซที่ห่อด้วยเส้นใยคอมโพสิต คอมโพสิตไฟเบอร์น้ำหนักเบา ทนต่อแรงกระแทก และหน่วงไฟ คาดว่าจะกลายเป็นวัสดุสำคัญสำหรับกล่องแบตเตอรี่น้ำหนักเบาในอนาคต

อย่างไรก็ตาม เนื่องจากข้อจำกัดด้านต้นทุน คอมโพสิตไฟเบอร์ประสิทธิภาพสูงที่โดดเด่นด้วยคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์จึงไม่ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในเปลือกแบตเตอรี่ เชื่อกันว่าด้วยการพัฒนาพลังงานใหม่และการขยายตัวของการใช้งานไฟเบอร์คอมโพสิต ต้นทุนการใช้ไฟเบอร์คอมโพสิตจะค่อยๆ ลดลง คอมโพสิตไฟเบอร์ถูกกำหนดให้โดดเด่นในตลาดพลังงานใหม่ในอนาคต