เชิงนามธรรม:

บทความนี้จะศึกษาสภาพที่เป็นอยู่และการพัฒนาการวิจัยของวัสดุเสริมคาร์บอนไฟเบอร์ในการจัดเก็บไฮโดรเจนและปลอกแบตเตอรี่ อีวี ภายในขอบเขตของยานพาหนะพลังงานใหม่ โดยจะประเมินการจำแนกประเภทและแนวโน้มของถังแก๊สแรงดันสูงและกล่องหุ้มแบตเตอรี่ เจาะลึกข้อดีและข้อเสียของวัสดุคาร์บอนไฟเบอร์ในการใช้งานในปัจจุบัน และคาดการณ์การใช้งานและแนวโน้มของวัสดุขั้นสูงเหล่านี้ในภูมิทัศน์อนาคตของยานพาหนะพลังงานใหม่

การเปลี่ยนไปใช้วัสดุน้ำหนักเบาเพื่อลดน้ำหนักโดยรวม กลายเป็นกลยุทธ์สำคัญในการพัฒนายานยนต์พลังงานใหม่ให้มีน้ำหนักเบา ความก้าวหน้าในด้านวัสดุศาสตร์ได้นำไปสู่การนำคอมโพสิตไฟเบอร์น้ำหนักเบาหลายชนิด รวมถึงวัสดุเสริมใยแก้วและคาร์บอนไฟเบอร์มาใช้ในอุตสาหกรรมยานยนต์พลังงานใหม่

คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ซึ่งมีชื่อเสียงในด้านความหนาแน่นต่ำ ความแข็งแรงสูง ความต้านทานการกัดกร่อน และความทนทานต่อความเมื่อยล้า เป็นหนึ่งในคอมโพสิตไฟเบอร์ประสิทธิภาพสูงที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุดในภาคส่วนยานยนต์ การใช้งานครอบคลุมระบบต่างๆ ของยานพาหนะ รวมถึงตัวถัง เครื่องยนต์ ระบบส่งกำลัง และแชสซี ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพและความปลอดภัยของยานพาหนะ

01 ภาพรวมคาร์บอนไฟเบอร์

โดยทั่วไปแล้วเส้นใยคาร์บอนจะไม่ถูกนำมาใช้โดยตรง แต่เป็นการเสริมแรง รวมกับเรซิน โลหะ หรือเมทริกซ์เซรามิกเพื่อสร้างคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ เส้นใยเหล่านี้มีข้อได้เปรียบที่สำคัญ: (1) ความหนาแน่นต่ำและมีความแข็งแรงสูง โดยมีความหนาแน่นเพียง 1.5~2.0 ก./ซม. ครึ่งหนึ่งของอะลูมิเนียมอัลลอยด์น้ำหนักเบา และ 4~5คูณความแข็งแรงของเหล็กและ 6 ~ 7 เท่าของอลูมิเนียม (2) ความต้านทานต่ออุณหภูมิสูงและต่ำ รักษาความสมบูรณ์ในบรรยากาศที่ไม่ออกซิไดซ์สูงถึง 3000°C และไม่เปราะที่อุณหภูมิแอมโมเนียเหลว (3) การนำไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม โดยมีความต้านทาน 775 Ω·ซม สำหรับเส้นใยคาร์บอนโมดูลัสสูงและ 1500 Ω·ซม สำหรับเส้นใยที่มีความแข็งแรงสูงที่อุณหภูมิ 25°C (4) ความต้านทานการกัดกร่อนของกรด ทนต่อกรดไฮโดรคลอริกเข้มข้น กรดฟอสฟอริก กรดซัลฟิวริก ฯลฯ

เส้นใยคาร์บอนสามารถแบ่งประเภทตามประเภทของสารตั้งต้น สมบัติทางกล และขนาดมัดเส้นใย ในทางปฏิบัติ การจำแนกประเภทมักขึ้นอยู่กับความต้านทานแรงดึงและมอดุลัส โดยประเภทความแข็งแรงสูงมีความแข็งแกร่ง 2,000 MPa และโมดูลัส 250 เกรดเฉลี่ย ประเภทโมดูลัสสูงเกิน 300 เกรดเฉลี่ย ในโมดูลัส ประเภทความแข็งแรงสูงพิเศษเกิน 4,000 MPa ในด้านความแข็งแกร่ง และ ประเภทโมดูลัสสูงพิเศษเกิน 450 เกรดเฉลี่ย ในโมดูลัส

02 สถานะการใช้งานของคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ในสาขายานยนต์

การผลักดันมาตรการด้านพลังงานสีเขียวและการประหยัดพลังงานได้ยกระดับมาตรฐานการลดน้ำหนักของยานยนต์อย่างต่อเนื่อง จากข้อมูลของ ยุโรป อลูมิเนียม สมาคม การลดน้ำหนักของยานพาหนะลง 10% สามารถนำไปสู่การปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้พลังงาน 6%~8% และลดการปล่อยมลพิษ 10% ต่อร้อยกิโลเมตร สำหรับรถยนต์พลังงานใหม่ การลดน้ำหนักลง 100 กก. จะช่วยเพิ่มระยะได้ประมาณ 6%~11% ตามลำดับ

คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ซึ่งเป็นที่รู้จักในเรื่องน้ำหนักเบาและมีความแข็งแรงสูง พบการใช้งานอย่างกว้างขวางในยานพาหนะ โดยเพิ่มประสิทธิภาพและความปลอดภัยในระบบต่างๆ รวมถึงตัวถัง เครื่องยนต์ ระบบส่งกำลัง และแชสซี

03

การประยุกต์คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ในการกักเก็บไฮโดรเจน

ด้วยความแข็งแรงสูง ทนต่อการกัดกร่อน ต้านทานความเมื่อยล้า สารหน่วงการติดไฟ และความเสถียรของขนาด คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์จึงกลายเป็นสิ่งทดแทนที่ดีเยี่ยมสำหรับการจัดเก็บไฮโดรเจนในยานพาหนะพลังงานใหม่และเปลือกแบตเตอรี่พลังงานน้ำหนักเบา

3.1 สถานการณ์การใช้งานกระบอกไฮโดรเจนแรงดันสูง

การใช้ถังแก๊สแรงดันสูงเพื่อกักเก็บและปล่อยไฮโดรเจนเป็นวิธีที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย กระบอกสูบเหล่านี้แบ่งออกเป็นสี่ประเภท: ทำจากเหล็กทั้งหมด, ไลเนอร์เหล็กที่มีการพันด้วยไฟเบอร์, ไลเนอร์โลหะที่มีการพันด้วยไฟเบอร์ และไลเนอร์พลาสติกที่มีการพันด้วยไฟเบอร์ ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับวัสดุ โครงสร้างและวัสดุที่แตกต่างกันเหล่านี้นำเสนอต้นทุน ระดับการเจริญเติบโต และสถานการณ์การใช้งานที่แตกต่างกัน

ปัจจุบัน วัสดุเสริมคาร์บอนไฟเบอร์เป็นทางเลือกวัสดุหลักสำหรับการผลิตกระบอกเก็บไฮโดรเจนแรงดันสูงสำหรับยานพาหนะ แม้ว่าจะเผชิญกับความท้าทายด้านเทคโนโลยีและต้นทุนก็ตาม

04

การใช้คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ในเปลือกแบตเตอรี่

ความเสถียรและความปลอดภัยของแบตเตอรี่พลังงานใหม่เป็นจุดสนใจในอุตสาหกรรมมาโดยตลอด กล่องหุ้มแบตเตอรี่จำเป็นสำหรับการปกป้องโมดูลแบตเตอรี่จากการกระแทกภายนอก ต้องเป็นไปตามข้อกำหนดด้านความต้านทานการกัดกร่อน ฉนวน และความยืดหยุ่นต่ออุณหภูมิ กรอบแบตเตอรี่แบบดั้งเดิมมักทำจากเหล็กหรือโลหะผสมอะลูมิเนียม อย่างไรก็ตาม ด้วยความก้าวหน้าทางเทคโนโลยี วัสดุน้ำหนักเบา เช่น คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ ก็เริ่มถูกนำมาใช้ ทำให้เกิดความเป็นไปได้ใหม่ๆ สำหรับการพัฒนารถยนต์พลังงานใหม่

05

บทสรุป

ถังแก๊สแรงดันสูงที่มีปลอกโลหะและพลาสติกหุ้มด้วยไฟเบอร์ถือเป็นกระแสหลักในเทคโนโลยีการผลิตในปัจจุบัน คาร์บอนไฟเบอร์ที่มีคุณสมบัติพิเศษ แสดงให้เห็นศักยภาพที่ยอดเยี่ยมในการผลิตถังแก๊สแรงดันสูงและกล่องหุ้มแบตเตอรี่ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากข้อจำกัดด้านต้นทุน จึงยังไม่มีการนำวัสดุขั้นสูงเหล่านี้ไปประยุกต์ใช้อย่างกว้างขวางในเปลือกแบตเตอรี่ เมื่อเทคโนโลยีพลังงานใหม่ๆ พัฒนาขึ้นและต้นทุนการใช้วัสดุลดลง คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์จึงมีแนวโน้มที่จะมีบทบาทสำคัญในอนาคต