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    高性能纖維在新一代汽車中的最新應用進展

    2014-12-06 00:04羅益鋒
    紡織導報 2014年11期
    關鍵詞:輕量化電動汽車節(jié)能

    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)

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