關注國內汽車銷量行情的人肯定知道,比亞迪2023年全年共計銷售超300萬量新能源車,而且這還是在出口銷量剛剛起步的成績,可見國內電動汽車行業對全球汽車領域的沖擊。電動汽車的核心部件之一是電池動力部分,不管是鋰電池還是鉛酸電池,它們并不是獨立存在的,需要有電池包殼體的加持,才能穩固安全的安裝在汽車上。本文將討論碳纖維電池包殼體的應用優勢,以及未來熱塑性碳纖維能夠更好的提升電池包殼體的性能。
  
 
  新能源汽車電池包殼體的5種常用材料介紹
  
  電池包殼體的主要作用是承載電池組、電氣模塊、冷卻模塊等動力電池系統部件,同時保護電池和電氣系統在車輛受到外部碰撞、沖擊和擠壓時不受破壞。電池包殼體的材料和設計,是確保其使用安全性的基礎,目前常用的材料有鋼板、鋁板、擠壓鋁型材、壓鑄鋁等傳統的金屬材料,同時也有如碳纖維復合材料的新型復材。
  
  1、鋼制殼體:鋼制電池包殼體是最原始的動力電池包殼體材料,一般采用鑄造鋼板焊接而成,強度高、剛性高,質量重,表面需要進行防腐處理,使其在長期高溫條件下仍具有較好的防腐效果。鋼制殼體的缺點就是自重過大,影響汽車能耗,阻礙車程的提升。
  
 
  2、鋁制殼體:汽車動力電池包采用鋁材料具有易加工成型、高溫耐腐蝕性、良好的傳熱性和導電性,使用壽命長,阻燃,抗老化性能,防爆性能等特點。軋制鋁板、擠壓鋁型材、鑄造鋁三種不同類型的鋁材在不同的電池包殼體項目均得到了批量應用,已成為動力電池系統殼體的主流技術路線。
  
  3、SMC復合材料:片狀模塑料,主要原料由GF(專用紗)、UP(不飽和樹脂)、低收縮添加劑、MD(填料)及各種助劑組成。SMC電性能好,耐化學腐蝕,熱導率低、膨脹系數小,優異的耐紫外線抗老化性能,抗疲勞性能好,質量輕強度高,在電池包殼體生產制造中也得到了應用。
  
 
  4、碳纖維增強復合材料:碳纖維復合材料已成為傳統金屬材質電池包殼體的理想替代品,與金屬材料相比碳纖維密度約為1.7g/cm³,拉伸強度3000MPa,彈性模量230GPa,質輕高強,耐高溫,耐摩擦,抗震,熱膨脹系數低。
  
  5、PC+LFT-D長纖維增強熱塑性材料:PC材料優異的阻燃性能、尺寸穩定性及力學性能,與LFT-D工藝固有的長纖維保持率相得益彰,完美地契合了電池包殼體應用的需求。材料具有阻燃性好,高剛性,高韌性,零件不易開裂等特點,上下殼體可以更緊密地結合,提升了電池包在長期使用時的氣密性水平。
  
 
  碳纖維電池包殼體憑借性能優勢獲得一定的重視
  
  動力電池包是新能源汽車的動力源,由殼體包覆電池模塊而構成電池包主體。電池包殼體對電池模塊的安全工作和防護起著關鍵作用,要求其材料具有防腐蝕、絕緣、耐常溫和低溫(-25℃)沖擊以及阻燃等特性。作為電池模塊的承載體,電池包殼體對電池模塊的穩定工作和安全防護起著關鍵作用,一般是安裝在車體下部,主要用于保護鋰電池在受到外界碰撞、擠壓時不被損壞。
  
  隨著汽車的輕量化發展,以及熱固性塑料成型技術的開發,新型塑料及復合材料開始逐漸被用作電池包殼體材料。其中熱固性碳纖維復合材料被證實可以在新能源汽車電池包殼體部件中發揮出色的效果,減重效果明顯,較金屬殼體下降約35%左右。熱固性碳纖維復合材料不僅可以降低整體電池包重量,同時還具備以下這些優勢。
  
 
  1、耐高溫、耐低溫:碳纖維的熱彈性系數小,在3000℃非氧化氣氛下不融化、不軟化,在液氨溫度下依然不脆化;
  
  2、良好的導電性:25℃時,高模量碳纖維的比電阻為775Ω·cm,高強度碳纖維的比電阻為1500Ω·cm;
  
  3、耐酸腐蝕:碳纖維耐濃鹽酸、磷酸、硫酸等腐蝕。
  
  雖然熱固性碳纖維復合材料的性能優勢非常明顯,但囿于成本高昂和制造工藝繁瑣等問題,想要大批量應用于新能源汽車行業并不太現實,目前已經批量應用的只有蔚來品牌的一些車型。
  
 
  熱塑性碳纖維未來能否應用于汽車電池包殼體部件上?
  
  熱塑性碳纖維與熱固性碳纖維,其機械性能在本質上處于伯仲之間,但前者具有更好的空沖擊性,在汽車行業中可以起到更好的安全性,其次可重塑加工的能力,可以縮減一部分加工環節的繁復程度,提供生產效率,最關鍵的一點在于熱塑性碳纖維是可回收的復合型材料,與新能源汽車的發展方向一致。相對于熱固性碳纖維復合材料難以回收再利用的問題,使用熱塑性碳纖維復合材料將會得到改善。
  
 
  不過熱塑性碳纖維想要成熟的應用于電池包殼體部件的生產加工上,還需要等待較長的時間,因為熱塑性碳纖維復合材料的制備難度較高,目前全球能夠獨立完成該型復合材料制備的企業并不多,國內更少。智上新材料作為其中的一家,我們認為在暢享熱塑性碳纖維復合材料全方位應用的美好前景之前,需要先將國內碳纖維產業的高塔穩步搭建起來。從碳纖維原絲和熱塑性樹脂的生產,到熱塑性碳纖維復合材料的制備,再到熱塑性碳纖維部件的設計和加工,最后再完善熱塑性碳纖維回收再利用,將整個產業打通,形成封閉的循環,才能真正催生出世界領先的碳纖維技術和產品,才能在諸如汽車制造、航空航天等領域帶來真正的改變。