高性能纖維在新一代汽車中的最新應用進展

羅益鋒

摘要：汽車向輕量化、節(jié)能化、電動化和環(huán)?；l(fā)展已是大勢所趨。近年來，通過更新傳統(tǒng)電池的設計理念，采用高性能纖維的關鍵部件和不斷降低生產(chǎn)成本，各種新能源動力汽車開始孕育而生。本文介紹了汽車輕量化、節(jié)能化的最新進展和國內(nèi)外新型車用動力電池的發(fā)展動態(tài)，重點介紹了高性能纖維在其關鍵部件中的最新應用進展，以為我國新能源汽車的發(fā)展提供一些思路。

關鍵詞：輕量化；節(jié)能；電動汽車；新型電池；高性能纖維；碳纖維復合材料

中圖分類號：TQ342+.7 文獻標志碼：A

Latest Application Progress of High-performance Fiber to New-generation Vehicle

Abstract： More light-weight， more energy-saving and electrification are the trends for future vehicles. Owing to the technology improvements of battery， further application of high-performance fiber and several other improving ways， a variety of new-generation vehicles have been come up. Some latest developments， including how to be more light-weight and energy-saving with high-performance fiber and their reinforced material. R&D of new kinds of vehicle-used battery， are detailed introduced in this article. The author hopes it can provide some references for domestic new-energy vehicle industry.

Key words： light-weight； energy-saving； electrical vehicle； new battery； high-performance fiber； CFRP

在大氣污染和溫室效應日益威脅人類生存環(huán)境的現(xiàn)實情況下，汽車的輕量化、節(jié)能化、電動化和環(huán)?；谴髣菟?。為了實現(xiàn)上述目標，美、歐、日等先進國家和地區(qū)率先通過法律法規(guī)，分階段規(guī)定新出廠的汽車每消耗 1 L汽油需達到的行駛里程數(shù)，我國也開始緊跟，這就迫使汽車生產(chǎn)廠家分階段擴大碳纖維復合材料（CFRP）等在汽車非承力和承力件及零部件中的應用。

另一方面，各國政府投巨資積極支持企業(yè)和科研院所研發(fā)新型動力電池，以促進電動汽車的產(chǎn)業(yè)化和逐步普及。然而，由于現(xiàn)有動力電池的安全性、高成本、體積大且重、充電時間長、續(xù)駛距離有限和廢棄物難以處置等問題而發(fā)展緩慢。

近年來，通過更新傳統(tǒng)電池的設計理念，采用高性能纖維的關鍵部件和不斷降低生產(chǎn)成本，各種新能源動力汽車開始孕育而生。比如目前出現(xiàn)的一種最先進的概念車采用了 CFRP結(jié)構材料，先進電池，塑料光導纖維的光顯示系統(tǒng)，對位芳香族聚酰胺纖維的子午胎、同步帶和高壓軟管，碳纖維等耐熱部件和剎車片，以及用碳纖維或聚丙烯氈等制成的消音器，而內(nèi)裝飾材料選用了可生物降解的聚乳酸纖維等綠色產(chǎn)品。

1 汽車輕量化、節(jié)能化的最新進展與技術進步

1.1 汽車結(jié)構材料采用CFRP是大勢所趨

美歐日和我國相繼出臺越來越嚴的法律法規(guī)，達不到規(guī)定的耗油量就不能生產(chǎn)，外國車也不許進口，這對電動車的發(fā)展具有重要的推動作用。要達到規(guī)定的指標，必須使汽車最終減重50% ～ 60%，而最佳的選擇是采用CFRP結(jié)構材料。碳纖維價格貴是目前的瓶頸，隨著生產(chǎn)技術的高效化、市場應用的推廣以及生產(chǎn)規(guī)模的大型化，其成本有望降低。CFRP成型工藝的多樣化、高效化和低成本化，將助推CFRP汽車由高檔車逐步向中檔車發(fā)展。

目前用碳纖維增強熱塑性樹脂（CFRTP）制造非承力件，只需 1 ～ 5 min，且碳纖維增強熱固型樹脂作為承力件也只需1 ～ 3 min，有利于實現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)和降低成本。

通過成型周期短的RTM一體化成型，部件數(shù)少。以“TEEWAVE”AR1車為例，與鋼制品相比，其部件數(shù)減少至1/20，減重約53%，CO2排放量減少約9%，但還需解決CFRP部件與鋼制品的粘合問題。

圖 1 所示為CFRP和生物質(zhì)材料在汽車中的應用。

圖 2 所示為CFRP的各種成型工藝，表 1 為 8 家主要的國際汽車企業(yè)推出的CFRP車型、應用部位、車型工藝及售價等。

1.2 多種高科技纖維助推汽車的輕量化

汽車輕量化的要求，除帶動塑料部件的多方應用外，還推動了天然纖維增強塑料、碳纖維和超高相對分子質(zhì)量聚乙烯（UHMWPE）纖維混雜復合材料部件、對位芳香族聚酰胺纖維子午胎、膠帶、膠管、剎車片（含碳纖維制品）及塑料光纖（POF）的全方位應用。

三菱麗陽的車載光顯示和光通信用POF正向全球普及。POF為PMMA芯和氟樹脂鞘材，直徑以 1 mm和0.75 mm為主，現(xiàn)已應用于奔馳、寶馬、奧迪、達州、福特等的高檔車，并占全球市場的60% ～ 70%，2013年其需求量達 5 萬 ～ 6 萬km，每秒可實現(xiàn) 1 Gps以上的高速信息傳輸。以聚苯乙烯為芯材、PMMA為鞘材的廉價POF現(xiàn)已部分應用于國產(chǎn)汽車中作為LED照明與光顯示系統(tǒng)。據(jù)測算，汽車采用POF后可比采用電線減重10 ～ 20 kg，輕量化近30%。

除此之外，寧波大成新材料股份有限公司與奇瑞汽車合作，開發(fā)了PAN-CF與UHMWPE纖維織布增強環(huán)氧樹脂引擎蓋（圖 3）和電池外殼箱（圖 4）等試制品，不僅更輕量化，還提高了抗沖擊性能。

汽車的輕量化同時也帶來了運行過程中噪音增大的問題，對此，除了利用CFRP本身具有震動吸收能力的優(yōu)勢，國外多家公司開發(fā)了汽車用吸音器或消音器。通常，高檔車可選用對位芳香族聚酰胺纖維或碳纖維加工的針刺氈，普通車多采用滌綸或丙綸非織造布。日本帝人纖維公司開發(fā)了縱向排列的非織造布結(jié)構體“V-LAP”，作為汽車頂部和底盤的吸音材料；可樂麗Clarex公司開發(fā)了具有震動吸收能力的蒸汽噴射非織造布“フレクスター”，原料采用可樂麗生產(chǎn)的芯鞘型板狀非織造布，芯材為聚酯，鞘材為乙烯-乙烯醇（EVA）共聚物。

電動汽車和新一代車的排熱量較少，而且隨著驅(qū)動系統(tǒng)的高效化和走行阻力的減少，所需能量相對較少，因此相對而言用于空調(diào)的能量比率增大，需要加強整體保溫材料的開發(fā)和應用。

1.3 CFRP回收技術的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化迫在眉睫

隨著CFRP在各產(chǎn)業(yè)領域的大規(guī)模廣泛應用，其廢棄物的回收再利用將成為關鍵。CFRP的再生相對容易，一般采取粉碎再制成母粒使用。但目前碳纖維增強熱固性樹脂是CFRP的主流產(chǎn)品，回收再利用難度較大，現(xiàn)階段對此已開發(fā)出超臨界液體法、熱分解法、常壓溶解法、過熱蒸汽處理法、太陽能法和水熱加壓法等回收再生工藝，且有些已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

對于所回收的碳長絲等，可加工成非織造布、短切纖維或直接制成CFRP，再生碳長絲的表面處理技術、成本和壽命周期評價等則是目前該領域面臨的問題。

2 新型車用動力電池的最新進展及高性能纖維的重要作用

電池是電動汽車的關鍵部件，近年來研發(fā)工作日新月異，出現(xiàn)了“百花齊放”的局面，表 2 所示為幾種有望產(chǎn)業(yè)化、初步產(chǎn)業(yè)化的動力電池尚存在的問題和新進展。

2.1 鋰離子電池

美國電動汽車Tesla（特斯拉）（圖 5）的市場化被認為對于新能源汽車的發(fā)展具有里程碑意義，其單次充電時間可縮短至30 ～ 60 min，靠擴大電池容量和增大車型使一次充電可續(xù)駛300 ～ 500 km，電池總重在500 ～ 1 000 kg之間，占汽車成本的50% ～ 60%，據(jù)報道曾發(fā)生過 6 次自燃事故。

對于這一車型的電池，改進的方向是采用碳纖維作為高強電極材料，而東麗和三菱樹脂分別提供均質(zhì)聚酰亞胺非織造布和濕法成型PE單層膜與芳綸非織造布相復合的電池隔膜，可耐200 ℃以上的高溫。帝人提供在PE基材上復合Conex（一種間位芳香族聚酰胺纖維）非織造布并涂覆氟化物，以及間位芳香族聚酰胺納米纖維非織造布作為鋰離子電池隔膜。

此外，中國海誠工程科技股份有限公司研發(fā)的PET/ TENCEL？非織造布通過涂覆20%的Al2O3粉作為鋰離子電池的5P-1隔膜，容量保持率可達83.4%。

2.2 氫-空氣燃料電池

氫-空氣燃料電池是清潔能源且原料價廉，但其所用Pt等催化劑昂貴，要產(chǎn)業(yè)化需改進氫的制造、儲存和運輸技術，按國際標準氫儲罐壓力需耐700 MPa的壓力和超低溫，而供氫站約需500 L的儲存罐，這些都需CFRP高壓容器。

另外，儲氫還涉及儲氫材料，目前最好的吸氫材料是經(jīng)硝酸處理的單壁碳納米管（SWCNT）和活性炭纖維，如圖 6所示，也可采用儲氫合金。

為防止催化劑中毒，需采用Pt和各種輔助金屬（Ru、Sn、Pd、Bi、Mo等）的合金催化劑，并需中、小直徑的碳納米纖維（CNF）（直徑為10 ～ 50 nm）作為載體，才能用于高活性、低溫型的燃料電池，并降低Pt的用量和成本，具體如表 3 和表 4所示。

車載的CFRP氫氣瓶內(nèi)壓需由目前的35 MPa提高至70 MPa，方能實現(xiàn) 3 min內(nèi)充一次氫氣跑500 km以上，搭載氫氣量增大30%，具體方案及應用示例如圖 7 — 圖 9 所示。

燃料電池的氣體擴散層可選用碳纖維織物或非織造布。中國工程物理研究院化工材料研究所研發(fā)在Nafion共聚物中摻入單壁碳納米管的復合膜，可用作質(zhì)子交換膜的燃料電池陽極催化層。

2014年一季度，豐田燃料汽車（圖10）在加拿大作運行試驗，最長續(xù)駛距離可達620 km，計劃在2015年實現(xiàn)商品化。

此外，將于2015年投放市場的還有現(xiàn)代i-blue車型（圖11），據(jù)報道續(xù)駛距離為600 km；凱迪拉克Provoq車型（圖12），續(xù)駛距離為483 km。

2.3 鈉硫電池

鈉硫電池的優(yōu)點是能量密度高，壽命長，價廉，操作溫度在300 ～ 350 ℃之間，但具有強腐蝕性，曾發(fā)生過自燃。為解決其安全性，日本ガイシ公司的解決方案是用碳片材將單電池卷起來，以提高耐熱性。

目前國外采用該電池的續(xù)駛距離為500 km，而我國據(jù)稱可達1 000 km。

2.4 鋁-空氣電池

鋁-空氣電池的優(yōu)點是理論能量密度高達8 135 Wh/kg，實際可達400 ～ 600 Wh/kg，鋁負極電流密度高達350 ～ 500 mA/cm2，有利于驅(qū)動；缺點是陽極極化嚴重，鋁表面易形成氧化膜，負極腐蝕嚴重，正極材料的貴金屬催化劑昂貴。電池高導電層有選用碳纖維氈的。

2.5 鋅-空氣電池

鋅-空氣電池作為一次電池現(xiàn)已實用化，日本松下的PR44電池能量密度高達466 Wh/kg或1 473 Wh/L。但作為二次電池在充電時會析出樹脂狀晶體，使電極產(chǎn)生自放電，造成電容電流丟失快的問題。此外，在空氣極要開發(fā)高效的氧化還原反應等的催化劑。國外的相關專利中有選用微管式電池隔膜取代平板膜的方法，以擴大單位體積的膜反應面積。

我國有多家科研院所和企業(yè)進行車用鋅-空氣電池的研發(fā)，其中江蘇泰康電動車有限公司的產(chǎn)品已試用于武漢公共汽車上，但電池組沒電后需更換下來，經(jīng)重新處理和更換電解液后才能重新使用。

2.6 鋰-空氣電池

鋰-空氣電池可望有較大的容量，但在有機電解液體系要確保反應生成物Li2O以微粒析出并進行可逆反應，而在水溶液體系中則要開發(fā)金屬鋰與水溶液分離的電解質(zhì)膜。

為了獲得高比容量，負極材料有選用單壁碳納米管和碳納米纖維相組合的膜，可獲得2 500 mAh/g的電流密度，但為防止電容下降，需添加α-MnO2作為催化劑。

2.7 硼化釩-空氣電池

硼化釩-空氣電池是中德合作研發(fā)并由中方控股的項目，其優(yōu)點是無需充電，而靠硼化釩（VB2）納米粉與空氣中的氧在催化劑存在的情況下發(fā)生反應產(chǎn)生電流，反應產(chǎn)物可再生循環(huán)使用，更換電池中的VB2只需 3 ～ 5 min，反應溫度不超過60 ℃，因而不易發(fā)生自燃和爆炸。其先進性和創(chuàng)新點還在于將傳統(tǒng)電池的平板電池隔膜設計成了微管式或中空纖維膜及環(huán)繞內(nèi)外層的電極，具體如圖13所示。

該新型電池的新穎性還在于中空纖維直徑越小，電池質(zhì)量和體積就越小，而能量密度卻越高，與其他電池的原理相反。

據(jù)報道，該電池已于2013年被授權實用新型專利，2014年發(fā)明專利也已進入實審期。將來實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化后，第一代電動車可續(xù)航500 km，第二代則可實現(xiàn)1 000 km。

3 結(jié)語

目前，我國正加大對新能源汽車用新型動力電池的開發(fā)力度，并對購買電動汽車實行一定的優(yōu)惠政策，這非常有利于我國新能源汽車的發(fā)展。為了促進我國電動汽產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，可借鑒國外的成功經(jīng)驗，以整車廠為主導，與電池、汽車配件及主要纖維材料生產(chǎn)商等進行緊密協(xié)作。

參考文獻（略）

除此之外，寧波大成新材料股份有限公司與奇瑞汽車合作，開發(fā)了PAN-CF與UHMWPE纖維織布增強環(huán)氧樹脂引擎蓋（圖 3）和電池外殼箱（圖 4）等試制品，不僅更輕量化，還提高了抗沖擊性能。

汽車的輕量化同時也帶來了運行過程中噪音增大的問題，對此，除了利用CFRP本身具有震動吸收能力的優(yōu)勢，國外多家公司開發(fā)了汽車用吸音器或消音器。通常，高檔車可選用對位芳香族聚酰胺纖維或碳纖維加工的針刺氈，普通車多采用滌綸或丙綸非織造布。日本帝人纖維公司開發(fā)了縱向排列的非織造布結(jié)構體“V-LAP”，作為汽車頂部和底盤的吸音材料；可樂麗Clarex公司開發(fā)了具有震動吸收能力的蒸汽噴射非織造布“フレクスター”，原料采用可樂麗生產(chǎn)的芯鞘型板狀非織造布，芯材為聚酯，鞘材為乙烯-乙烯醇（EVA）共聚物。

電動汽車和新一代車的排熱量較少，而且隨著驅(qū)動系統(tǒng)的高效化和走行阻力的減少，所需能量相對較少，因此相對而言用于空調(diào)的能量比率增大，需要加強整體保溫材料的開發(fā)和應用。

1.3 CFRP回收技術的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化迫在眉睫

隨著CFRP在各產(chǎn)業(yè)領域的大規(guī)模廣泛應用，其廢棄物的回收再利用將成為關鍵。CFRP的再生相對容易，一般采取粉碎再制成母粒使用。但目前碳纖維增強熱固性樹脂是CFRP的主流產(chǎn)品，回收再利用難度較大，現(xiàn)階段對此已開發(fā)出超臨界液體法、熱分解法、常壓溶解法、過熱蒸汽處理法、太陽能法和水熱加壓法等回收再生工藝，且有些已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

對于所回收的碳長絲等，可加工成非織造布、短切纖維或直接制成CFRP，再生碳長絲的表面處理技術、成本和壽命周期評價等則是目前該領域面臨的問題。

2 新型車用動力電池的最新進展及高性能纖維的重要作用

電池是電動汽車的關鍵部件，近年來研發(fā)工作日新月異，出現(xiàn)了“百花齊放”的局面，表 2 所示為幾種有望產(chǎn)業(yè)化、初步產(chǎn)業(yè)化的動力電池尚存在的問題和新進展。

2.1 鋰離子電池

美國電動汽車Tesla（特斯拉）（圖 5）的市場化被認為對于新能源汽車的發(fā)展具有里程碑意義，其單次充電時間可縮短至30 ～ 60 min，靠擴大電池容量和增大車型使一次充電可續(xù)駛300 ～ 500 km，電池總重在500 ～ 1 000 kg之間，占汽車成本的50% ～ 60%，據(jù)報道曾發(fā)生過 6 次自燃事故。

對于這一車型的電池，改進的方向是采用碳纖維作為高強電極材料，而東麗和三菱樹脂分別提供均質(zhì)聚酰亞胺非織造布和濕法成型PE單層膜與芳綸非織造布相復合的電池隔膜，可耐200 ℃以上的高溫。帝人提供在PE基材上復合Conex（一種間位芳香族聚酰胺纖維）非織造布并涂覆氟化物，以及間位芳香族聚酰胺納米纖維非織造布作為鋰離子電池隔膜。

此外，中國海誠工程科技股份有限公司研發(fā)的PET/ TENCEL？非織造布通過涂覆20%的Al2O3粉作為鋰離子電池的5P-1隔膜，容量保持率可達83.4%。

2.2 氫-空氣燃料電池

氫-空氣燃料電池是清潔能源且原料價廉，但其所用Pt等催化劑昂貴，要產(chǎn)業(yè)化需改進氫的制造、儲存和運輸技術，按國際標準氫儲罐壓力需耐700 MPa的壓力和超低溫，而供氫站約需500 L的儲存罐，這些都需CFRP高壓容器。

另外，儲氫還涉及儲氫材料，目前最好的吸氫材料是經(jīng)硝酸處理的單壁碳納米管（SWCNT）和活性炭纖維，如圖 6所示，也可采用儲氫合金。

為防止催化劑中毒，需采用Pt和各種輔助金屬（Ru、Sn、Pd、Bi、Mo等）的合金催化劑，并需中、小直徑的碳納米纖維（CNF）（直徑為10 ～ 50 nm）作為載體，才能用于高活性、低溫型的燃料電池，并降低Pt的用量和成本，具體如表 3 和表 4所示。

車載的CFRP氫氣瓶內(nèi)壓需由目前的35 MPa提高至70 MPa，方能實現(xiàn) 3 min內(nèi)充一次氫氣跑500 km以上，搭載氫氣量增大30%，具體方案及應用示例如圖 7 — 圖 9 所示。

燃料電池的氣體擴散層可選用碳纖維織物或非織造布。中國工程物理研究院化工材料研究所研發(fā)在Nafion共聚物中摻入單壁碳納米管的復合膜，可用作質(zhì)子交換膜的燃料電池陽極催化層。

2014年一季度，豐田燃料汽車（圖10）在加拿大作運行試驗，最長續(xù)駛距離可達620 km，計劃在2015年實現(xiàn)商品化。

此外，將于2015年投放市場的還有現(xiàn)代i-blue車型（圖11），據(jù)報道續(xù)駛距離為600 km；凱迪拉克Provoq車型（圖12），續(xù)駛距離為483 km。

2.3 鈉硫電池

鈉硫電池的優(yōu)點是能量密度高，壽命長，價廉，操作溫度在300 ～ 350 ℃之間，但具有強腐蝕性，曾發(fā)生過自燃。為解決其安全性，日本ガイシ公司的解決方案是用碳片材將單電池卷起來，以提高耐熱性。

目前國外采用該電池的續(xù)駛距離為500 km，而我國據(jù)稱可達1 000 km。

2.4 鋁-空氣電池

鋁-空氣電池的優(yōu)點是理論能量密度高達8 135 Wh/kg，實際可達400 ～ 600 Wh/kg，鋁負極電流密度高達350 ～ 500 mA/cm2，有利于驅(qū)動；缺點是陽極極化嚴重，鋁表面易形成氧化膜，負極腐蝕嚴重，正極材料的貴金屬催化劑昂貴。電池高導電層有選用碳纖維氈的。

2.5 鋅-空氣電池

鋅-空氣電池作為一次電池現(xiàn)已實用化，日本松下的PR44電池能量密度高達466 Wh/kg或1 473 Wh/L。但作為二次電池在充電時會析出樹脂狀晶體，使電極產(chǎn)生自放電，造成電容電流丟失快的問題。此外，在空氣極要開發(fā)高效的氧化還原反應等的催化劑。國外的相關專利中有選用微管式電池隔膜取代平板膜的方法，以擴大單位體積的膜反應面積。

我國有多家科研院所和企業(yè)進行車用鋅-空氣電池的研發(fā)，其中江蘇泰康電動車有限公司的產(chǎn)品已試用于武漢公共汽車上，但電池組沒電后需更換下來，經(jīng)重新處理和更換電解液后才能重新使用。

2.6 鋰-空氣電池

鋰-空氣電池可望有較大的容量，但在有機電解液體系要確保反應生成物Li2O以微粒析出并進行可逆反應，而在水溶液體系中則要開發(fā)金屬鋰與水溶液分離的電解質(zhì)膜。

為了獲得高比容量，負極材料有選用單壁碳納米管和碳納米纖維相組合的膜，可獲得2 500 mAh/g的電流密度，但為防止電容下降，需添加α-MnO2作為催化劑。

2.7 硼化釩-空氣電池

硼化釩-空氣電池是中德合作研發(fā)并由中方控股的項目，其優(yōu)點是無需充電，而靠硼化釩（VB2）納米粉與空氣中的氧在催化劑存在的情況下發(fā)生反應產(chǎn)生電流，反應產(chǎn)物可再生循環(huán)使用，更換電池中的VB2只需 3 ～ 5 min，反應溫度不超過60 ℃，因而不易發(fā)生自燃和爆炸。其先進性和創(chuàng)新點還在于將傳統(tǒng)電池的平板電池隔膜設計成了微管式或中空纖維膜及環(huán)繞內(nèi)外層的電極，具體如圖13所示。

該新型電池的新穎性還在于中空纖維直徑越小，電池質(zhì)量和體積就越小，而能量密度卻越高，與其他電池的原理相反。

據(jù)報道，該電池已于2013年被授權實用新型專利，2014年發(fā)明專利也已進入實審期。將來實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化后，第一代電動車可續(xù)航500 km，第二代則可實現(xiàn)1 000 km。

3 結(jié)語

目前，我國正加大對新能源汽車用新型動力電池的開發(fā)力度，并對購買電動汽車實行一定的優(yōu)惠政策，這非常有利于我國新能源汽車的發(fā)展。為了促進我國電動汽產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，可借鑒國外的成功經(jīng)驗，以整車廠為主導，與電池、汽車配件及主要纖維材料生產(chǎn)商等進行緊密協(xié)作。

參考文獻（略）

除此之外，寧波大成新材料股份有限公司與奇瑞汽車合作，開發(fā)了PAN-CF與UHMWPE纖維織布增強環(huán)氧樹脂引擎蓋（圖 3）和電池外殼箱（圖 4）等試制品，不僅更輕量化，還提高了抗沖擊性能。

汽車的輕量化同時也帶來了運行過程中噪音增大的問題，對此，除了利用CFRP本身具有震動吸收能力的優(yōu)勢，國外多家公司開發(fā)了汽車用吸音器或消音器。通常，高檔車可選用對位芳香族聚酰胺纖維或碳纖維加工的針刺氈，普通車多采用滌綸或丙綸非織造布。日本帝人纖維公司開發(fā)了縱向排列的非織造布結(jié)構體“V-LAP”，作為汽車頂部和底盤的吸音材料；可樂麗Clarex公司開發(fā)了具有震動吸收能力的蒸汽噴射非織造布“フレクスター”，原料采用可樂麗生產(chǎn)的芯鞘型板狀非織造布，芯材為聚酯，鞘材為乙烯-乙烯醇（EVA）共聚物。

電動汽車和新一代車的排熱量較少，而且隨著驅(qū)動系統(tǒng)的高效化和走行阻力的減少，所需能量相對較少，因此相對而言用于空調(diào)的能量比率增大，需要加強整體保溫材料的開發(fā)和應用。

1.3 CFRP回收技術的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化迫在眉睫

隨著CFRP在各產(chǎn)業(yè)領域的大規(guī)模廣泛應用，其廢棄物的回收再利用將成為關鍵。CFRP的再生相對容易，一般采取粉碎再制成母粒使用。但目前碳纖維增強熱固性樹脂是CFRP的主流產(chǎn)品，回收再利用難度較大，現(xiàn)階段對此已開發(fā)出超臨界液體法、熱分解法、常壓溶解法、過熱蒸汽處理法、太陽能法和水熱加壓法等回收再生工藝，且有些已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

對于所回收的碳長絲等，可加工成非織造布、短切纖維或直接制成CFRP，再生碳長絲的表面處理技術、成本和壽命周期評價等則是目前該領域面臨的問題。

2 新型車用動力電池的最新進展及高性能纖維的重要作用

電池是電動汽車的關鍵部件，近年來研發(fā)工作日新月異，出現(xiàn)了“百花齊放”的局面，表 2 所示為幾種有望產(chǎn)業(yè)化、初步產(chǎn)業(yè)化的動力電池尚存在的問題和新進展。

2.1 鋰離子電池

美國電動汽車Tesla（特斯拉）（圖 5）的市場化被認為對于新能源汽車的發(fā)展具有里程碑意義，其單次充電時間可縮短至30 ～ 60 min，靠擴大電池容量和增大車型使一次充電可續(xù)駛300 ～ 500 km，電池總重在500 ～ 1 000 kg之間，占汽車成本的50% ～ 60%，據(jù)報道曾發(fā)生過 6 次自燃事故。

對于這一車型的電池，改進的方向是采用碳纖維作為高強電極材料，而東麗和三菱樹脂分別提供均質(zhì)聚酰亞胺非織造布和濕法成型PE單層膜與芳綸非織造布相復合的電池隔膜，可耐200 ℃以上的高溫。帝人提供在PE基材上復合Conex（一種間位芳香族聚酰胺纖維）非織造布并涂覆氟化物，以及間位芳香族聚酰胺納米纖維非織造布作為鋰離子電池隔膜。

此外，中國海誠工程科技股份有限公司研發(fā)的PET/ TENCEL？非織造布通過涂覆20%的Al2O3粉作為鋰離子電池的5P-1隔膜，容量保持率可達83.4%。

2.2 氫-空氣燃料電池

氫-空氣燃料電池是清潔能源且原料價廉，但其所用Pt等催化劑昂貴，要產(chǎn)業(yè)化需改進氫的制造、儲存和運輸技術，按國際標準氫儲罐壓力需耐700 MPa的壓力和超低溫，而供氫站約需500 L的儲存罐，這些都需CFRP高壓容器。

另外，儲氫還涉及儲氫材料，目前最好的吸氫材料是經(jīng)硝酸處理的單壁碳納米管（SWCNT）和活性炭纖維，如圖 6所示，也可采用儲氫合金。

為防止催化劑中毒，需采用Pt和各種輔助金屬（Ru、Sn、Pd、Bi、Mo等）的合金催化劑，并需中、小直徑的碳納米纖維（CNF）（直徑為10 ～ 50 nm）作為載體，才能用于高活性、低溫型的燃料電池，并降低Pt的用量和成本，具體如表 3 和表 4所示。

車載的CFRP氫氣瓶內(nèi)壓需由目前的35 MPa提高至70 MPa，方能實現(xiàn) 3 min內(nèi)充一次氫氣跑500 km以上，搭載氫氣量增大30%，具體方案及應用示例如圖 7 — 圖 9 所示。

燃料電池的氣體擴散層可選用碳纖維織物或非織造布。中國工程物理研究院化工材料研究所研發(fā)在Nafion共聚物中摻入單壁碳納米管的復合膜，可用作質(zhì)子交換膜的燃料電池陽極催化層。

2014年一季度，豐田燃料汽車（圖10）在加拿大作運行試驗，最長續(xù)駛距離可達620 km，計劃在2015年實現(xiàn)商品化。

此外，將于2015年投放市場的還有現(xiàn)代i-blue車型（圖11），據(jù)報道續(xù)駛距離為600 km；凱迪拉克Provoq車型（圖12），續(xù)駛距離為483 km。

2.3 鈉硫電池

鈉硫電池的優(yōu)點是能量密度高，壽命長，價廉，操作溫度在300 ～ 350 ℃之間，但具有強腐蝕性，曾發(fā)生過自燃。為解決其安全性，日本ガイシ公司的解決方案是用碳片材將單電池卷起來，以提高耐熱性。

目前國外采用該電池的續(xù)駛距離為500 km，而我國據(jù)稱可達1 000 km。

2.4 鋁-空氣電池

鋁-空氣電池的優(yōu)點是理論能量密度高達8 135 Wh/kg，實際可達400 ～ 600 Wh/kg，鋁負極電流密度高達350 ～ 500 mA/cm2，有利于驅(qū)動；缺點是陽極極化嚴重，鋁表面易形成氧化膜，負極腐蝕嚴重，正極材料的貴金屬催化劑昂貴。電池高導電層有選用碳纖維氈的。

2.5 鋅-空氣電池

鋅-空氣電池作為一次電池現(xiàn)已實用化，日本松下的PR44電池能量密度高達466 Wh/kg或1 473 Wh/L。但作為二次電池在充電時會析出樹脂狀晶體，使電極產(chǎn)生自放電，造成電容電流丟失快的問題。此外，在空氣極要開發(fā)高效的氧化還原反應等的催化劑。國外的相關專利中有選用微管式電池隔膜取代平板膜的方法，以擴大單位體積的膜反應面積。

我國有多家科研院所和企業(yè)進行車用鋅-空氣電池的研發(fā)，其中江蘇泰康電動車有限公司的產(chǎn)品已試用于武漢公共汽車上，但電池組沒電后需更換下來，經(jīng)重新處理和更換電解液后才能重新使用。

2.6 鋰-空氣電池

鋰-空氣電池可望有較大的容量，但在有機電解液體系要確保反應生成物Li2O以微粒析出并進行可逆反應，而在水溶液體系中則要開發(fā)金屬鋰與水溶液分離的電解質(zhì)膜。

為了獲得高比容量，負極材料有選用單壁碳納米管和碳納米纖維相組合的膜，可獲得2 500 mAh/g的電流密度，但為防止電容下降，需添加α-MnO2作為催化劑。

2.7 硼化釩-空氣電池

硼化釩-空氣電池是中德合作研發(fā)并由中方控股的項目，其優(yōu)點是無需充電，而靠硼化釩（VB2）納米粉與空氣中的氧在催化劑存在的情況下發(fā)生反應產(chǎn)生電流，反應產(chǎn)物可再生循環(huán)使用，更換電池中的VB2只需 3 ～ 5 min，反應溫度不超過60 ℃，因而不易發(fā)生自燃和爆炸。其先進性和創(chuàng)新點還在于將傳統(tǒng)電池的平板電池隔膜設計成了微管式或中空纖維膜及環(huán)繞內(nèi)外層的電極，具體如圖13所示。

該新型電池的新穎性還在于中空纖維直徑越小，電池質(zhì)量和體積就越小，而能量密度卻越高，與其他電池的原理相反。

據(jù)報道，該電池已于2013年被授權實用新型專利，2014年發(fā)明專利也已進入實審期。將來實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化后，第一代電動車可續(xù)航500 km，第二代則可實現(xiàn)1 000 km。

3 結(jié)語

目前，我國正加大對新能源汽車用新型動力電池的開發(fā)力度，并對購買電動汽車實行一定的優(yōu)惠政策，這非常有利于我國新能源汽車的發(fā)展。為了促進我國電動汽產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，可借鑒國外的成功經(jīng)驗，以整車廠為主導，與電池、汽車配件及主要纖維材料生產(chǎn)商等進行緊密協(xié)作。

參考文獻（略）