Este artículo investiga las aplicaciones actuales y el progreso de la investigación de los compuestos de fibra de carbono en el almacenamiento de hidrógeno y en los recintos de paquetes de baterías para vehículos de nueva energía. Analiza la clasificación y las tendencias de desarrollo de los cilindros de gas de alta presión y las carcasas de baterías, analiza las ventajas y desventajas de los compuestos de fibra de carbono y anticipa las aplicaciones y perspectivas futuras de los compuestos de fibra de alto rendimiento en el campo de los vehículos de nueva energía.

Descripción general de los compuestos de fibra de carbono

El uso de materiales ligeros para reducir el peso de los vehículos se ha convertido en un método crucial para lograr el aligeramiento de los vehículos de nuevas energías. Con el continuo desarrollo de la ciencia de los materiales, se han comenzado a utilizar en el campo de los vehículos de nueva energía diversos compuestos de fibras ligeras, como los compuestos reforzados con fibra de vidrio y los compuestos reforzados con fibra de carbono.

Los compuestos de fibra de carbono, conocidos por su baja densidad, alta resistencia, resistencia a la corrosión y resistencia a la fatiga, son los compuestos de fibra de alto rendimiento más utilizados en el sector automotriz. Se utilizan ampliamente en diversos sistemas automotrices, como puertas y techos en la carrocería del automóvil, varillas de empuje y balancines en el sistema del motor, ejes de transmisión y palas de embrague en el sistema de transmisión, y componentes del chasis como bastidores de los bajos y piezas de suspensión.

Con el rápido desarrollo de vehículos de nueva energía, el almacenamiento seguro de su energía se ha convertido en un foco clave de investigación. Los principales métodos de almacenamiento de energía en la actualidad son los cilindros de gas de alta presión para vehículos que funcionan con hidrógeno y los recintos de baterías para vehículos eléctricos. Los compuestos de fibra de carbono, con sus numerosas ventajas, están empezando a ganar protagonismo en este campo.

Introducción a la fibra de carbono

Las fibras de carbono se utilizan generalmente como materiales de refuerzo, combinadas con matrices de resina, metal o cerámica para formar compuestos de fibra de carbono. La Figura 1 muestra ejemplos de tejidos de fibra de carbono y perfiles compuestos de fibra de carbono.

Las fibras de carbono poseen las siguientes ventajas:

1. Baja densidad y alta resistencia: con una densidad de solo 1,5~2,0 g/cm³, tienen aproximadamente la mitad de la densidad de las aleaciones de aluminio livianas, pero 4 a 5 veces más fuertes que el acero y 6 a 7 veces más fuertes que el aluminio.

2. Resistencia a altas y bajas temperaturas: las fibras de carbono no se derriten ni se ablandan en atmósferas no oxidantes a 3000% u00b0C y no se vuelven quebradizas a temperaturas de nitrógeno líquido.

3. Buena conductividad eléctrica: A 25°C, las fibras de carbono de alto módulo tienen una resistencia específica de 775Ω·cm, mientras que las fibras de carbono de alta resistencia tienen una resistencia específica de 1500Ω·cm.

4. Resistencia a la corrosión ácida: las fibras de carbono resisten la corrosión del ácido clorhídrico concentrado, el ácido fosfórico y el ácido sulfúrico.

Según los tipos de precursores, las propiedades mecánicas y los tamaños de los haces de filamentos, las fibras de carbono se pueden clasificar en varios tipos, como se muestra en la Tabla 1.

Las fibras de carbono normalmente se clasifican por sus propiedades mecánicas, principalmente resistencia a la tracción y módulo. Los tipos de alta resistencia tienen una resistencia de 2000 MPa y un módulo de 250 GPa, mientras que los tipos de alto módulo superan los 300 GPa. Los tipos de resistencia ultraalta tienen una resistencia superior a 4000 MPa y los tipos de módulo ultraalto tienen un módulo superior a 450 GPa.

Aplicaciones actuales de los compuestos de fibra de carbono en el campo de la automoción

Con la creciente demanda de energía verde y eficiencia, el nivel de aligeramiento del automóvil sigue aumentando. Según datos de la Asociación Europea del Aluminio, reducir el peso de un vehículo un 10% puede mejorar la eficiencia energética entre un 6% y un 8% y reducir las emisiones contaminantes un 10% cada 100 kilómetros. Para los vehículos de nueva energía, reducir el peso en 100 kg puede aumentar su autonomía entre un 6% y un 11%.

Los compuestos de fibra de carbono ligeros y de alta resistencia tienen una amplia gama de aplicaciones en automóviles. La Tabla 2 enumera algunos modelos de vehículos que utilizan compuestos de fibra de carbono, y la Figura 2 muestra el tamaño del mercado y el pronóstico del mercado mundial de fibra de carbono para automóviles, que se espera que alcance las 20.100 toneladas para 2025.

Aplicaciones de los compuestos de fibra de carbono en el almacenamiento de hidrógeno

Debido a su alta resistencia, resistencia a la corrosión, resistencia a la fatiga, buen retardo de llama y estabilidad dimensional, los compuestos de fibra de carbono son materiales ideales para el almacenamiento de hidrógeno en vehículos de nueva energía y carcasas livianas para paquetes de baterías.

Tanques de almacenamiento de hidrógeno de alta presión

Los cilindros de gas a alta presión son el método ampliamente adoptado para el almacenamiento de hidrógeno por parte de los fabricantes nacionales e internacionales. Dependiendo de los materiales, los tanques de almacenamiento de hidrógeno a alta presión se clasifican en Tipo I, II, III y IV, fabricados de acero puro, revestimientos de acero con envoltura de fibra, revestimientos metálicos con envoltura de fibra y revestimientos de plástico con envoltura de fibra, respectivamente. como se muestra en la Figura 3.

La Tabla 3 compara el rendimiento de diferentes tipos de tanques de almacenamiento de hidrógeno. El almacenamiento de hidrógeno a alta presión se puede dividir en almacenamiento fijo de alta presión, almacenamiento liviano de alta presión montado en vehículos y almacenamiento de alta presión para transporte. Los tanques fijos de almacenamiento de alta presión, típicamente tanques de hidrógeno de acero y recipientes a presión de acero, se utilizan principalmente en estaciones de servicio de hidrógeno, lo que ofrece un desarrollo maduro y de bajo costo.

Los tanques de almacenamiento de alta presión livianos montados en vehículos utilizan principalmente revestimientos de aleación de aluminio o plástico con envoltura de fibra de carbono para mejorar la resistencia estructural y reducir el peso total. A nivel internacional, los tanques Tipo IV envueltos en fibra de carbono de 70 MPa se utilizan ampliamente en vehículos de pila de combustible de hidrógeno, mientras que a nivel nacional, los tanques Tipo III envueltos en fibra de carbono de 35 MPa son más comunes, con menos aplicaciones para los tanques Tipo III envueltos en fibra de carbono de 70 MPa.

Compuestos de fibra de carbono en tanques de almacenamiento de hidrógeno de alta presión montados en vehículos

Los tanques de tipo III y IV son los principales para el almacenamiento de hidrógeno a alta presión montados en vehículos y consisten principalmente en revestimientos y capas envueltas en fibra. La Figura 4 muestra una sección transversal de un tanque de almacenamiento de hidrógeno de alta presión Tipo IV compuesto de fibra de carbono. Los compuestos de fibra, enrollados en forma de hélice y aro alrededor del revestimiento, aumentan principalmente la resistencia estructural del revestimiento.

Actualmente, las fibras comunes utilizadas en los tanques de almacenamiento de hidrógeno a alta presión montados en vehículos incluyen fibras de carbono, fibras de vidrio, fibras de carburo de silicio, fibras de óxido de aluminio, fibras de aramida y fibras de poli(p-fenileno benzobisoxazol). Entre ellos, las fibras de carbono se están convirtiendo gradualmente en el material de fibra principal debido a sus excelentes propiedades.

A nivel nacional, el desarrollo de tanques de almacenamiento de hidrógeno a alta presión va a la zaga de los avances internacionales. Estados Unidos, Canadá y Japón han logrado la producción en masa de tanques de almacenamiento de hidrógeno de 70 MPa y han comenzado a utilizar tanques Tipo IV. Empresas estadounidenses como General Motors mejoran la estructura de las capas envueltas en fibra de carbono, mientras que la canadiense Dynetek mejora las capas de bobinado y transición, mejorando la resistencia compuesta de las fibras de carbono con matrices de resina. Sin embargo, debido a problemas como el sellado de plástico y metal, las regulaciones chinas actualmente no permiten su uso generalizado.

Instituciones nacionales como la Universidad de Zhejiang y la Universidad de Tongji han desarrollado con éxito tanques de almacenamiento de hidrógeno de 70 MPa, y empresas como Blue Sky Energy de Bohong Energy han superado el sistema de almacenamiento de hidrógeno para vehículos de 70 MPa. Además, empresas como Shenyang Starling, Beijing Ketaike y Beijing Tianhai también han desarrollado y probado tanques de almacenamiento de hidrógeno de 70 MPa.

Debido a la tecnología inmadura y la dificultad en la producción en masa de tanques Tipo IV envueltos en fibra de carbono de 70 MPa a nivel nacional, los altos costos de preparación inhiben en gran medida la demanda y el desarrollo de tanques Tipo IV. Según una investigación del Consejo de Investigación Automotriz de EE. UU., cuanto mayor sea la escala de producción de tanques de almacenamiento de hidrógeno a alta presión, menores serán los costos. Cuando la escala de producción aumenta de 10.000 a 500.000 juegos, los costos pueden reducirse en una quinta parte. Por lo tanto, con el avance de la tecnología de preparación y la expansión de la escala de producción, los tanques de almacenamiento de hidrógeno de alta presión montados en vehículos envueltos en fibra de carbono de alto nivel seguramente brillarán en el futuro.

Aplicaciones de compuestos de fibra de carbono en carcasas de baterías

Desarrollo de carcasas para paquetes de baterías

La estabilidad y seguridad de las baterías de nueva energía siempre han sido puntos centrales de preocupación. Los gabinetes de paquetes de baterías son componentes clave del sistema de baterías de vehículos de nueva energía, estrechamente relacionados con el sistema eléctrico y la seguridad del vehículo. El paquete de baterías de energía, cubierto por el gabinete, forma el cuerpo principal del paquete de baterías.

El gabinete del paquete de baterías juega un papel crucial en el funcionamiento seguro y la protección de los módulos de baterías, ya que requiere materiales con resistencia a la corrosión, aislamiento, resistencia a impactos normales y de baja temperatura (-25% u00b0C) y retardo de llama. La Figura 5 muestra un paquete de baterías para vehículos de nueva energía y su descomposición.

Como portador de módulos de batería, el gabinete del paquete de baterías garantiza el funcionamiento estable y la protección de seguridad de los módulos de batería, generalmente instalados en la parte inferior del vehículo para proteger las baterías de litio de daños debidos a colisiones y compresiones externas. Los gabinetes tradicionales para baterías de vehículos están fabricados con materiales como placas de acero y aleaciones de aluminio, con revestimientos superficiales para protección. Con el desarrollo de vehículos livianos y que ahorran energía, los materiales para carcasas de baterías han visto alternativas livianas, como compuestos reforzados con fibra de vidrio, compuestos de moldeo en láminas y compuestos reforzados con fibra de carbono.

Los gabinetes de acero para paquetes de baterías son los materiales originales utilizados para los paquetes de baterías de energía, generalmente hechos de placas de acero soldadas, que ofrecen alta resistencia y rigidez pero también alta densidad y masa, lo que requiere procesos adicionales de protección contra la corrosión. Las carcasas de aleación de aluminio son el material principal para los paquetes de baterías eléctricas y ofrecen ligereza (solo el 35 % de la densidad del acero), fácil procesamiento y conformado y resistencia a la corrosión.

Con el desarrollo de vehículos livianos y el avance de las tecnologías de moldeo de plástico termoestable, se están utilizando gradualmente nuevos plásticos y compuestos como materiales para carcasas de baterías. Los gabinetes de plástico termoestable para baterías pesan 35 kg, aproximadamente un 35% más livianos que los gabinetes metálicos, y pueden transportar 340 kg de baterías.

Perspectivas de los compuestos de fibra de carbono en las carcasas de las baterías

Los compuestos de fibra de carbono, con sus numerosas ventajas, se han convertido en sustitutos ideales de las carcasas metálicas tradicionales de las baterías y ya han tenido aplicaciones preliminares en algunos modelos de vehículos. Por ejemplo, NIO, en colaboración con la alemana SGL Carbon, desarrolló un paquete de baterías de fibra de carbono de 84 kWh, reduciendo el peso de la carcasa en un 40% en comparación con las estructuras de aluminio, con una densidad de energía superior a 180 (W·h)/kg. El Instituto de Tecnología Avanzada de Tianjin y Lishen desarrollaron conjuntamente una carcasa de paquete de baterías compuesta de fibra de carbono que pesa aproximadamente 24 kg, lo que reduce el peso en un 50 % en comparación con las estructuras de aleación de aluminio, con una densidad de energía de hasta 210 (W·h)/kg.

Investigadores como Duan Duanxiang et al. han llevado a cabo diseños livianos y optimizaciones de procesos de capas para gabinetes de paquetes de baterías compuestos de fibra de carbono, reduciendo el peso del gabinete en un 66% en comparación con las estructuras de acero y al mismo tiempo cumpliendo con las condiciones de trabajo relevantes. Zhao Xiaoyu et al. utilizó compuestos de fibra de carbono y el método de diseño de rigidez equivalente para gabinetes de paquetes de baterías livianos, logrando una reducción de peso del 64 % al 67,6 % en comparación con las estructuras de acero.

LIU y cols. abordó el problema del diseño liviano de las cubiertas superiores de los paquetes de baterías compuestas de fibra de carbono utilizando el método RBDO, logrando una reducción de peso del 22,14 % y al mismo tiempo cumpliendo con los requisitos de rendimiento. Tan Lizhong et al. comparó tres soluciones: una cubierta superior de aluminio de 1,5 mm de espesor (Esquema 1), una cubierta superior de fibra de carbono de 1,5 mm de espesor (Esquema 2) y una cubierta superior compuesta de fibra de carbono de 0,5 mm panel alveolar de 3 mm de espesor cubierta superior compuesta de fibra de carbono de 0,5 mm de espesor (Esquema 3). Descubrieron que el Esquema 3 era óptimo, reduciendo el peso en un 31% en comparación con el Esquema 1.

Los tanques envueltos en fibra con revestimiento metálico (Tipo III) y los tanques envueltos en fibra con revestimiento plástico (Tipo IV) son los principales cilindros de gas envueltos en compuesto de fibra. Para fabricar cilindros de gas envueltos en material compuesto se han utilizado fibras tales como fibra de vidrio, fibra de carburo de silicio, fibra de óxido de aluminio, fibra de boro, fibra de carbono, fibra de aramida y fibra de poli(p-fenileno benzobisoxazol). También se espera que los compuestos de fibra livianos, resistentes a los impactos y retardantes de llama se conviertan en materiales importantes para las futuras carcasas livianas de paquetes de baterías.

Sin embargo, debido a limitaciones de costos, los compuestos de fibra de alto rendimiento dominados por los compuestos de fibra de carbono no se han aplicado ampliamente en las carcasas de los paquetes de baterías. Se cree que con el desarrollo de nuevas energías y la expansión de las aplicaciones de compuestos de fibra, el costo del uso de compuestos de fibra disminuirá gradualmente. Los compuestos de fibra brillarán en el futuro nuevo mercado energético.