電動汽車蓄電池箱用復合材料

　　　

　　

　　　　

　　2023年1月12日，中國汽車工業協會發布了2022年汽車市場產銷數據。2022年我國汽車產銷分別完成了2702.1萬輛和2686.4萬輛，同比增長3.4％和2.1％。其中，新能源汽車在2022年的優異表現成為我國汽車市場保持正向增長的關鍵。

　　

　　2022年我國新能源汽車全年產銷量分別完成705.8萬輛和688.7萬輛，同比分別增長96.9％和93.4％，市場占有率達到25.6％，高于2021年12.1個百分點。

　　

　　而網絡數據顯示， 2022年11月份，全球電動汽車銷量繼續保持兩位數的同比增幅（46%）,電動汽車銷量占全球整體汽車市場18%的份額,其中純電動汽車的市場份額增長到13%。

　　

　　毫無疑問，電動化已經地成為全球汽車產業的發展方向。在全球新能源汽車爆發式增長趨勢下，電動汽車蓄電池箱用復合材料也迎來了極大的發展機遇，各大車企也對電動汽車蓄電池箱用復合材料技術和性能提出了更高的要求。

　　

　　

　　

　　加速實現汽車輕量化——電池外殼

　　

　　　　

　　汽車復合材料的另一個重要推動力是全球推行的2050年實現零排放，這將促進電動汽車（EV）的開發和生產的大幅度增加。2020年9月，加利福尼亞州宣布，將要求該州銷售的所有新乘用車和卡車在2035年前實現無排放。與此同時，歐盟提出了2030年的目標，將新車二氧化碳減排目標設定為37.5%。BloombergNEF先進材料負責人朱莉婭·阿特伍德在IACMI 2020年秋季成員會議上表示，到2025年，電動汽車的平均價格預計將降至內燃機（ICE）汽車的價格以下。她預測，到2037年，全球電動汽車銷量將超過ICE汽車，到2050年將達到5000萬輛/年。

　　

　　動力總成技術中范式轉變在大規模引入對堅固的電池外殼系統的需求，該系統能夠滿足嚴格的機械和沖擊要求，以及在電池起火時保護車輛乘員的防火、防煙和毒性性能。此外，由于電池組給車輛增加了很大的重量，因此要求盡可能的減輕外殼的重量。

　　

　　由于所有這些原因，復合材料在電池外殼應用中被證明是非常有利的，并且這些結構正在為復合材料在地面運輸中，諸如汽車、卡車、公共汽車和其他車輛中的使用提供了主要機會。

　　

　　

　　

　　組裝完成的電池外殼

　　

　　多家材料供應商、汽車制造商和復合材料制造商宣布了電動汽車用電池外殼解決方案。

　　

　　隨著原始設備制造商試圖增加BEV的行駛里程，復合材料有助于抵消電池重量，同時通過輕型電池外殼提高安全性。

　　

　　例如，帝人汽車技術（美國密歇根州奧本山）在北美、歐洲和亞洲擁有壓塑復合電動汽車電池蓋和全外殼十多年，主要使用短纖維/熱固性片狀模塑料 (SMC)。不過，該公司已開始探索使用樹脂傳遞模塑 (RTM) 和濕壓模塑工藝的連續增強材料。帝人也在研究混合材料方法，使用長纖維局部增強短切纖維材料，并致力于為其更高容量的材料創建材料卡（用于模擬軟件）以幫助其客戶開發新產品。

　　

　　復合材料風力葉片生產商TPI Composites Inc.（美國亞利桑那州斯科茨代爾）也在生產復合材料電池外殼組件，包括用于多個地區的大型項目，以及為預計將于2023年至2024年推出的4-8級電動卡車開發電池外殼。該公司花了六年時間開發和驗證各種材料/工藝選項，以滿足一系列質量、成本和其他性能要求。這些主要基于浸漬酚醛或高溫阻燃環氧樹脂的連續纖維（玻璃、碳或混合物），用于高壓RTM、濕復合成型和其他技術。

　　

　　聚氨酯HP-RTM電池上殼體——集安全、高效和輕量化為一體

　　

　　　　

　　高新技術企業卡淶科技與科思創共同推出了使用高壓樹脂傳遞模塑成型（HP-RTM）工藝的聚氨酯電池包上殼體解決方案，并在主流動力電池制造商實現批量生產。本次合作研發開創了聚氨酯復合材料在新能源汽車電池包領域的應用。

　　

　　聚氨酯HP-RTM制造工藝實現“以塑代鋼”，可用于電池包。

　　

　　據介紹，該款聚氨酯電池包上殼體解決方案在今年通過了歐盟REACH和RoHS認證，以及中國GB38031-2020的標準化測試，并在機械性能、高溫高濕老化、氙燈老化、耐酸、耐堿、耐高溫和絕緣性能等一系列標準化測試中表現出色。全新的聚氨酯HP-RTM制造工藝實現了“以塑代鋼”的減重要求。

　　

　　

　　

　　相較于其他工藝，全新的HP-RTM工藝使用自動化鋪層技術，效率大幅提升，降低了制造成本。生命周期評估顯示，相較傳統金屬工藝，使用HP-RTM工藝產生的二氧化碳排放也更低。

　　

　　此外，電池包減重可以為整車降低碳排放的同時增加電動車的續航里程，一舉兩得。采用此HP-RTM聚氨酯復合材料制備的電池包上殼體，得益于其強大的物理性能和低密度優勢，可輕松實現輕薄電池殼解決方案的量產。

　　

　　整個殼體平均厚度在1.5mm左右，最薄可以做到0.8mm。在確保輕量化的同時，還能保持高強度和高韌性的特性，在目前所有非金屬解決方案中，優勢突出。

　　

　　*   比強度鋼輕60%

　　

　　*   比SMC輕50%

　　

　　*   比鋁合金輕20%

　　

　　

　　

　　相較于預浸料工藝，HP-RTM工藝通過優化纖維鋪層設計，在相當大的程度上實現了鋪層的自動化，大大地提升了生產效率。而且，其模具費用、操作人工、運營成本和質量穩定性都有大幅提升。

　　

　　

　　

　　HP-RTM工藝只需在預成型階段安排少量工位，同時利用一臺注膠機配合兩臺壓機的“一拖二”設計，在縮短產品成型周期以提高生產效率的同時確保了成本的可控性。除此之外，預浸料的存放對溫度和濕度有嚴格的生產管理要求，而HP-RTM的工藝路線則較為寬容。

　　

　　以預制件生產復雜的車輛結構件　　

　　　　

　　Cannon Tipos公司和Coriolis復合材料公司聯合開發了一種制造工藝，可以從接近凈形的干預制件中制造出復雜的碳纖維增強復合材料（CFRP）部件作為半成品。

　　

　　該工藝的關鍵組成部分是高壓樹脂傳遞模塑（HP-RTM）工藝和Coriolis的自動纖維定位（AFP）。該合作產生的組件目前正在進行適合批量生產的測試。該工藝實現了20秒的生產循環節拍時間，并顯示出符合要求的機械性能，但重量最多減輕了80%。

　　

　　該公司生產的自動纖維放置（AFP）設備允許連續纖維或短纖維以不同的方向放置，甚至是復雜的幾何表面，同時最大限度地減少材料浪費。

　　

　　

　　

　　干式AFP二維預制件由單向（UD）取向碳纖維的優化纖維薄片組成，每層纖維重量為280克/平方米，纖維體積分數為55%。一種特殊的粘結劑技術被用于注射快速固化的兼容環氧樹脂系統。改進預制件的可塑性、纖維浸漬和可修剪性（使用三維水刀工藝），以實現接近凈成形的幾何形狀，可將總體廢品率降低達50%。

　　

　　Cannon Tipos鋼制模具的設計壓力最高可達120巴。最小化的微孔確保了樹脂與固化劑在恒定溫度下的最佳反應，最大偏差為2℃。此外，在注射階段有最小的背壓，真空時間應最大化，以避免沖刷損失和氣泡的產生。由于高度拋光的腔體與Coriolis的預制件技術相結合，部件的表面質量特別好。