Questo articolo esamina le attuali applicazioni e i progressi della ricerca dei compositi in fibra di carbonio nello stoccaggio dell’idrogeno e negli involucri dei pacchi batteria per i veicoli a nuova energia. Discute la classificazione e le tendenze di sviluppo delle bombole di gas ad alta pressione e degli involucri dei pacchi batteria, analizza i vantaggi e gli svantaggi dei compositi in fibra di carbonio e anticipa le future applicazioni e prospettive dei compositi in fibra ad alte prestazioni nel campo dei veicoli a nuova energia.

Panoramica dei compositi in fibra di carbonio

L’utilizzo di materiali leggeri per ridurre il peso del veicolo è diventato un metodo cruciale per ottenere l’alleggerimento dei veicoli a nuova energia. Con il continuo sviluppo della scienza dei materiali, vari compositi in fibra leggera, come i compositi rinforzati con fibra di vetro e i compositi rinforzati con fibra di carbonio, hanno iniziato ad essere utilizzati nel campo dei veicoli a nuova energia.

I compositi in fibra di carbonio, noti per la loro bassa densità, elevata resistenza, resistenza alla corrosione e resistenza alla fatica, sono i compositi in fibra ad alte prestazioni più utilizzati nel settore automobilistico. Sono ampiamente utilizzati in vari sistemi automobilistici, come porte e tetti nella carrozzeria dell'auto, aste di spinta e bilancieri nel sistema motore, alberi di trasmissione e pale della frizione nel sistema di trasmissione e componenti del telaio come telai sottoscocca e parti delle sospensioni.

Con il rapido sviluppo di nuovi veicoli energetici, lo stoccaggio sicuro della loro energia è diventato un obiettivo chiave della ricerca. Le bombole di gas ad alta pressione per veicoli alimentati a idrogeno e gli involucri del pacco batteria per veicoli elettrici sono attualmente i principali metodi di stoccaggio dell’energia. I compositi in fibra di carbonio, con i loro numerosi vantaggi, stanno iniziando a guadagnare importanza in questo campo.

Introduzione alla fibra di carbonio

Le fibre di carbonio sono generalmente utilizzate come materiali di rinforzo, combinate con matrici di resina, metallo o ceramica per formare compositi in fibra di carbonio. La Figura 1 mostra esempi di tessuti in fibra di carbonio e profili compositi in fibra di carbonio.

Le fibre di carbonio presentano i seguenti vantaggi:

1. Bassa densità ed elevata resistenza: con una densità di soli 1,5~2,0 g/cm³, hanno circa la metà della densità delle leghe di alluminio leggere, ma 4-5 volte più resistenti dell'acciaio e 6-7 volte più resistenti dell'alluminio.

2. Resistenza alle alte e alle basse temperature: le fibre di carbonio non si sciolgono né si ammorbidiscono in atmosfere non ossidanti a 3000°C e non diventano fragili alle temperature dell'azoto liquido.

3. Buona conduttività elettrica: a 25°C, le fibre di carbonio ad alto modulo hanno una resistenza specifica di 775Ω·cm, mentre le fibre di carbonio ad alta resistenza hanno una resistenza specifica di 1500Ω·cm.

4. Resistenza alla corrosione acida: le fibre di carbonio resistono alla corrosione da acido cloridrico concentrato, acido fosforico e acido solforico.

In base ai tipi di precursori, alle proprietà meccaniche e alle dimensioni dei fasci di filamenti, le fibre di carbonio possono essere classificate in diversi tipi, come mostrato nella Tabella 1.

Le fibre di carbonio sono tipicamente classificate in base alle loro proprietà meccaniche, principalmente resistenza alla trazione e modulo. I tipi ad alta resistenza hanno una resistenza di 2000 MPa e un modulo di 250 GPa, mentre i tipi ad alto modulo superano i 300 GPa. I tipi a resistenza ultraelevata hanno una resistenza superiore a 4000 MPa, mentre i tipi a modulo ultraelevato hanno un modulo superiore a 450 GPa.

Attuali applicazioni dei compositi in fibra di carbonio nel campo automobilistico

Con la crescente domanda di energia verde ed efficienza, il livello di alleggerimento automobilistico continua ad aumentare. Secondo i dati della European Aluminium Association, ridurre il peso di un veicolo del 10% può migliorare l'efficienza energetica dal 6% all'8% e ridurre le emissioni inquinanti del 10% ogni 100 chilometri. Per i veicoli a nuova energia, la riduzione del peso di 100 kg può aumentare l’autonomia dal 6% all’11% circa.

I compositi in fibra di carbonio leggeri e ad alta resistenza hanno un’ampia gamma di applicazioni nelle automobili. La tabella 2 elenca alcuni modelli di veicoli che utilizzano compositi in fibra di carbonio e la figura 2 mostra le dimensioni del mercato e le previsioni del mercato globale della fibra di carbonio per autoveicoli, che dovrebbe raggiungere le 20.100 tonnellate entro il 2025.

Applicazioni dei compositi in fibra di carbonio nello stoccaggio dell'idrogeno

Grazie alla loro elevata robustezza, resistenza alla corrosione, resistenza alla fatica, buon ritardo di fiamma e stabilità dimensionale, i compositi in fibra di carbonio sono materiali ideali per lo stoccaggio dell’idrogeno nei veicoli a nuova energia e negli involucri leggeri dei pacchi batteria.

Serbatoi di stoccaggio dell'idrogeno ad alta pressione

Le bombole di gas ad alta pressione sono il metodo ampiamente adottato per lo stoccaggio dell'idrogeno da parte dei produttori nazionali e internazionali. A seconda dei materiali, i serbatoi di stoccaggio dell'idrogeno ad alta pressione sono classificati in Tipo I, II, III e IV, realizzati rispettivamente in acciaio puro, rivestimenti in acciaio con avvolgimento in fibra, rivestimenti in metallo con avvolgimento in fibra e rivestimenti in plastica con avvolgimento in fibra. come mostrato nella Figura 3.

La tabella 3 confronta le prestazioni di diversi tipi di serbatoi di stoccaggio dell'idrogeno. Lo stoccaggio dell'idrogeno ad alta pressione può essere suddiviso in stoccaggio ad alta pressione fisso, stoccaggio ad alta pressione montato su veicoli leggeri e stoccaggio ad alta pressione per il trasporto. I serbatoi fissi di stoccaggio ad alta pressione, tipicamente serbatoi di idrogeno in acciaio e recipienti a pressione in acciaio, vengono utilizzati principalmente nelle stazioni di rifornimento di idrogeno, offrendo costi bassi e uno sviluppo maturo.

I serbatoi di stoccaggio leggeri ad alta pressione montati su veicoli utilizzano principalmente rivestimenti in lega di alluminio o plastica con rivestimento in fibra di carbonio per migliorare la resistenza strutturale e ridurre il peso complessivo. A livello internazionale, i serbatoi di Tipo IV rivestiti in fibra di carbonio da 70 MPa sono ampiamente utilizzati nei veicoli a celle a combustibile a idrogeno, mentre a livello nazionale, i serbatoi di Tipo III rivestiti in fibra di carbonio da 35 MPa sono più comuni, con meno applicazioni per i serbatoi di Tipo III rivestiti in fibra di carbonio da 70 MPa.

Compositi in fibra di carbonio in serbatoi di stoccaggio dell'idrogeno ad alta pressione montati su veicoli

I serbatoi di tipo III e IV sono quelli tradizionali per lo stoccaggio dell'idrogeno ad alta pressione montato su veicoli, costituiti principalmente da rivestimenti e strati avvolti in fibra. La Figura 4 mostra una sezione trasversale di un serbatoio di stoccaggio dell'idrogeno ad alta pressione di Tipo IV in composito di fibra di carbonio. I compositi in fibra, avvolti elicoidalmente e a cerchio attorno al rivestimento, aumentano principalmente la resistenza strutturale del rivestimento.

Attualmente, le fibre comuni utilizzate nei serbatoi di stoccaggio dell'idrogeno ad alta pressione montati su veicoli includono fibre di carbonio, fibre di vetro, fibre di carburo di silicio, fibre di ossido di alluminio, fibre aramidiche e fibre di poli(p-fenilene benzobisossazolo). Tra questi, le fibre di carbonio stanno gradualmente diventando il materiale fibroso principale grazie alle loro eccellenti proprietà.

A livello nazionale, lo sviluppo di serbatoi di stoccaggio dell’idrogeno ad alta pressione è in ritardo rispetto ai progressi internazionali. Stati Uniti, Canada e Giappone hanno raggiunto la produzione in serie di serbatoi di stoccaggio dell’idrogeno da 70 MPa e hanno iniziato a utilizzare serbatoi di tipo IV. Aziende statunitensi come General Motors migliorano la struttura degli strati avvolti in fibra di carbonio, mentre la canadese Dynetek migliora gli strati di avvolgimento e di transizione, migliorando la resistenza composita delle fibre di carbonio con matrici di resina. Tuttavia, a causa di problemi come la sigillatura di plastica e metallo, le normative cinesi attualmente non ne consentono un utilizzo diffuso.

Istituzioni nazionali come l’Università di Zhejiang e l’Università di Tongji hanno sviluppato con successo serbatoi di stoccaggio dell’idrogeno da 70 MPa, e aziende come Blue Sky Energy sotto Bohong Energy hanno sfondato il sistema di stoccaggio dell’idrogeno per veicoli da 70 MPa. Inoltre, aziende come Shenyang Starling, Beijing Ketaike e Beijing Tianhai hanno anche sviluppato e testato serbatoi di stoccaggio dell’idrogeno da 70 MPa.

A causa della tecnologia immatura e della difficoltà nella produzione in serie di serbatoi di Tipo IV rivestiti in fibra di carbonio da 70 MPa a livello nazionale, gli elevati costi di preparazione inibiscono notevolmente la domanda e lo sviluppo di serbatoi di Tipo IV. Secondo una ricerca dell’Automotive Research Council degli Stati Uniti, maggiore è la scala di produzione dei serbatoi di stoccaggio dell’idrogeno ad alta pressione, minori saranno i costi. Quando la scala di produzione aumenta da 10.000 a 500.000 set, i costi possono diminuire di un quinto. Pertanto, con il progresso della tecnologia di preparazione e l’espansione della scala di produzione, i serbatoi di stoccaggio dell’idrogeno ad alta pressione montati su veicoli rivestiti in fibra di carbonio di alto livello sono destinati a brillare in futuro.

Applicazioni dei compositi in fibra di carbonio negli involucri dei pacchi batteria

Sviluppo di involucri per pacchi batteria

La stabilità e la sicurezza delle nuove batterie energetiche sono sempre state al centro delle preoccupazioni. Gli involucri del pacco batteria sono componenti chiave del nuovo sistema di batterie per veicoli a energia, strettamente correlati al sistema elettrico e alla sicurezza del veicolo. Il pacco batteria di alimentazione, coperto dall'involucro, costituisce il corpo principale del pacco batteria.

L'involucro del pacco batteria svolge un ruolo cruciale nel funzionamento sicuro e nella protezione dei moduli batteria, richiedendo materiali con resistenza alla corrosione, isolamento, resistenza agli impatti normali e alle basse temperature (-25°C) e ritardanti di fiamma. La Figura 5 mostra il pacco batterie di un nuovo veicolo energetico e la sua decomposizione.

Come supporto dei moduli batteria, la custodia del pacco batteria garantisce il funzionamento stabile e la protezione di sicurezza dei moduli batteria, generalmente installati nella parte inferiore del veicolo per proteggere le batterie al litio da danni dovuti a collisioni e compressioni esterne. Gli involucri tradizionali delle batterie dei veicoli sono realizzati con materiali come piastre di acciaio e leghe di alluminio, con rivestimenti superficiali di protezione. Con lo sviluppo di veicoli leggeri e a risparmio energetico, i materiali degli involucri delle batterie hanno visto alternative leggere come compositi rinforzati con fibra di vetro, composti per stampaggio di fogli e compositi rinforzati con fibra di carbonio.

Le custodie dei pacchi batteria in acciaio sono i materiali originali utilizzati per i pacchi batterie di potenza, generalmente realizzati con piastre di acciaio saldate, che offrono elevata resistenza e rigidità ma anche elevata densità e massa, richiedendo ulteriori processi di protezione dalla corrosione. Gli involucri in lega di alluminio sono il materiale principale per i pacchi batteria di alimentazione, offrendo leggerezza (solo il 35% della densità dell'acciaio), facilità di lavorazione e formatura e resistenza alla corrosione.

Con lo sviluppo di veicoli leggeri e il progresso delle tecnologie di stampaggio della plastica termoindurente, nuove plastiche e compositi vengono gradualmente utilizzati come materiali per l’involucro dei pacchi batteria. Le custodie per batterie in plastica termoindurente pesano 35 kg, circa il 35% più leggere delle custodie in metallo, e possono trasportare 340 kg di batterie.

Prospettive dei compositi in fibra di carbonio negli involucri dei pacchi batteria

I compositi in fibra di carbonio, con i loro numerosi vantaggi, sono diventati sostituti ideali dei tradizionali involucri metallici delle batterie e hanno già visto applicazioni preliminari in alcuni modelli di veicoli. Ad esempio, NIO, in collaborazione con la tedesca SGL Carbon, ha sviluppato un pacco batterie in fibra di carbonio da 84 kWh, riducendo il peso del guscio del 40% rispetto alle strutture in alluminio, con una densità di energia superiore a 180 (W·h)/kg. Il Tianjin Institute of Advanced Technology e Lishen hanno sviluppato congiuntamente un involucro per pacco batteria composito in fibra di carbonio del peso di circa 24 kg, riducendo il peso del 50% rispetto alle strutture in lega di alluminio, con una densità di energia fino a 210 (W·h)/kg.

Ricercatori come Duan Duanxiang et al. hanno condotto progetti leggeri e ottimizzazioni del processo di rivestimento per involucri di pacchi batteria compositi in fibra di carbonio, riducendo il peso dell'involucro del 66% rispetto alle strutture in acciaio e soddisfacendo al tempo stesso le condizioni di lavoro pertinenti. Zhao Xiaoyu et al. ha utilizzato materiali compositi in fibra di carbonio e il metodo di progettazione a rigidità equivalente per gli involucri leggeri dei pacchi batteria, ottenendo una riduzione del peso dal 64% al 67,6% rispetto alle strutture in acciaio.

LIU et al. ha affrontato il problema della progettazione leggera dei coperchi superiori del pacco batteria in fibra di carbonio utilizzando il metodo RBDO, ottenendo una riduzione del peso del 22,14% soddisfacendo al tempo stesso i requisiti prestazionali. Tan Lizhong et al. hanno confrontato tre soluzioni: una copertura superiore in alluminio di 1,5 mm di spessore (Schema 1), una copertura superiore in fibra di carbonio di 1,5 mm di spessore (Schema 2) e una copertura superiore in fibra di carbonio di 0,5 mm pannello a nido d'ape di 3 mm di spessore copertura superiore in composito di fibra di carbonio di 0,5 mm di spessore (Schema 3). Hanno scoperto che lo Schema 3 era ottimale, riducendo il peso del 31% rispetto allo Schema 1.

I serbatoi avvolti in fibra con rivestimento in metallo (Tipo III) e i serbatoi avvolti in fibra con rivestimento in plastica (Tipo IV) sono le tradizionali bombole di gas rivestite in fibra composita. Fibre come fibra di vetro, fibra di carburo di silicio, fibra di ossido di alluminio, fibra di boro, fibra di carbonio, fibra aramidica e fibra di poli(p-fenilene benzobisossazolo) sono state utilizzate per produrre bombole di gas avvolte in materiale composito di fibre. Si prevede che anche i compositi in fibra leggera, resistente agli urti e ignifuga diventeranno materiali importanti per i futuri involucri leggeri dei pacchi batteria.

Tuttavia, a causa dei vincoli di costo, i compositi in fibra ad alte prestazioni, dominati dai compositi in fibra di carbonio, non sono stati ampiamente applicati negli involucri dei pacchi batteria. Si ritiene che con lo sviluppo di nuova energia e l'espansione delle applicazioni dei compositi in fibra, il costo dell'utilizzo dei compositi in fibra diminuirà gradualmente. I compositi in fibra sono destinati a brillare nel futuro del nuovo mercato energetico.