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(yè)協(xié)會發(fā)布了2022年汽車市場產(chǎn)銷數(shù)據(jù)。2022年我國汽車產(chǎn)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(yōu)異表現(xiàn)成為我國汽車市場保持正向增長的關(guān)鍵。

　　

　　2022年我國新能源汽車全年產(chǎn)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(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)顯示， 2022年11月份，全球電動汽車銷量繼續(xù)保持兩位數(shù)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(jīng)地成為全球汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。在全球新能源汽車爆發(fā)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(fā)展機遇，各大車企也對電動汽車蓄電池箱用復合材料技術(shù)和性能提出了更高的要求。

　　

　　

　　

　　加速實現(xiàn)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(xiàn)零排放，這將促進電動汽車（EV）的開發(fā)和生產(chǎn)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(xiàn)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(shè)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(nèi)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(shù)中范式轉(zhuǎn)變在大規(guī)模引入對堅固的電池外殼系統(tǒng)的需求，該系統(tǒng)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(jié)構(gòu)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(shè)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(shù)（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(xù)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(chuàng)建材料卡（用于模擬軟件）以幫助其客戶開發(fā)新產(chǎn)品。

　　

　　復合材料風力葉片生產(chǎn)商TPI Composites Inc.（美國亞利桑那州斯科茨代爾）也在生產(chǎn)復合材料電池外殼組件，包括用于多個地區(qū)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(fā)電池外殼。該公司花了六年時間開發(fā)和驗證各種材料/工藝選項，以滿足一系列質(zhì)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(huán)氧樹脂的連續(xù)纖維（玻璃、碳或混合物），用于高壓RTM、濕復合成型和其他技術(shù)。

　　

　　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(shù)企業(yè)卡淶科技與科思創(chuàng)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(xiàn)批量生產(chǎn)。本次合作研發(fā)開創(chuàng)了聚氨酯復合材料在新能源汽車電池包領(lǐng)域的應用。

　　

　　聚氨酯HP-RTM制造工藝實現(xiàn)“以塑代鋼”，可用于電池包。

　　

　　據(jù)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(xiàn)出色。全新的聚氨酯HP-RTM制造工藝實現(xiàn)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(shù)，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(tǒng)金屬工藝，使用HP-RTM工藝產(chǎn)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(xù)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(yōu)勢，可輕松實現(xiàn)輕薄電池殼解決方案的量產(chǎn)。

　　

　　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(yōu)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(yōu)化纖維鋪層設(shè)計，在相當大的程度上實現(xiàn)了鋪層的自動化，大大地提升了生產(chǎn)效率。而且，其模具費用、操作人工、運營成本和質(zhì)量穩(wěn)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(shè)計，在縮短產(chǎn)品成型周期以提高生產(chǎn)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(chǎn)管理要求，而HP-RTM的工藝路線則較為寬容。

　　

　　以預制件生產(chǎn)復雜的車輛結(jié)構(gòu)件　　

　　　　

　　Cannon Tipos公司和Coriolis復合材料公司聯(lián)合開發(fā)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(guān)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(chǎn)生的組件目前正在進行適合批量生產(chǎn)的測試。該工藝實現(xiàn)了20秒的生產(chǎn)循環(huán)節(jié)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(chǎn)的自動纖維放置（AFP）設(shè)備允許連續(xù)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(yōu)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(shù)為55%。一種特殊的粘結(jié)劑技術(shù)被用于注射快速固化的兼容環(huán)氧樹脂系統(tǒng)。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(xiàn)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(shè)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(chǎn)生。由于高度拋光的腔體與Coriolis的預制件技術(shù)相結(jié)合，部件的表面質(zhì)量特別好。