Artikel ini menyiasat aplikasi semasa dan kemajuan penyelidikan komposit gentian karbon dalam penyimpanan hidrogen dan penutup pek bateri untuk kenderaan tenaga baharu. Ia membincangkan klasifikasi dan trend pembangunan silinder gas tekanan tinggi dan penutup pek bateri, menganalisis kelebihan dan keburukan komposit gentian karbon, dan menjangkakan aplikasi masa depan dan prospek komposit gentian berprestasi tinggi dalam bidang kenderaan tenaga baharu.

Gambaran Keseluruhan Komposit Gentian Karbon

Menggunakan bahan ringan untuk mengurangkan berat kenderaan telah menjadi kaedah penting untuk mencapai pemberat ringan kenderaan tenaga baharu. Dengan perkembangan berterusan dalam sains bahan, pelbagai komposit gentian ringan, seperti komposit bertetulang gentian kaca dan komposit bertetulang gentian karbon, telah mula digunakan dalam bidang kenderaan tenaga baharu.

Komposit gentian karbon, yang terkenal dengan ketumpatan rendah, kekuatan tinggi, rintangan kakisan dan rintangan keletihan, adalah komposit gentian berprestasi tinggi yang paling banyak digunakan dalam sektor automotif. Ia digunakan secara meluas dalam pelbagai sistem automotif, seperti pintu dan bumbung dalam badan kereta, tolak dan goyang dalam sistem enjin, aci pemacu dan bilah klac dalam sistem transmisi, dan komponen casis seperti bingkai bawah badan dan bahagian suspensi.

Dengan perkembangan pesat kenderaan tenaga baharu, penyimpanan selamat tenaga kuasa mereka telah menjadi tumpuan penyelidikan utama. Silinder gas tekanan tinggi untuk kenderaan tenaga hidrogen dan penutup pek bateri untuk kenderaan elektrik ialah kaedah penyimpanan tenaga utama pada masa ini. Komposit gentian karbon, dengan pelbagai kelebihannya, mula mendapat perhatian dalam bidang ini.

Pengenalan kepada Serat Karbon

Gentian karbon biasanya digunakan sebagai bahan tetulang, digabungkan dengan resin, logam, atau matriks seramik untuk membentuk komposit gentian karbon. Rajah 1 menunjukkan contoh fabrik gentian karbon dan profil komposit gentian karbon.

Gentian karbon mempunyai kelebihan berikut:

1. Ketumpatan rendah dan kekuatan tinggi: Dengan ketumpatan hanya 1.5~2.0 g/cm³, ia adalah kira-kira separuh ketumpatan aloi aluminium ringan, tetapi 4-5 kali lebih kuat daripada keluli dan 6-7 kali lebih kuat daripada aluminium.

2. Suhu tinggi dan rintangan suhu rendah: Gentian karbon tidak cair atau lembut dalam atmosfera tidak mengoksida pada 3000°C dan tidak menjadi rapuh pada suhu nitrogen cecair.

3. Kekonduksian elektrik yang baik: Pada 25°C, gentian karbon modulus tinggi mempunyai rintangan khusus 775Ω·cm, manakala gentian karbon kekuatan tinggi mempunyai rintangan khusus 1500Ω·cm.

4. Rintangan kakisan asid: Gentian karbon menahan kakisan daripada asid hidroklorik pekat, asid fosforik dan asid sulfurik.

Berdasarkan jenis prekursor, sifat mekanikal, dan saiz berkas filamen, gentian karbon boleh dikategorikan kepada beberapa jenis, seperti ditunjukkan dalam Jadual 1.

Gentian karbon biasanya dikelaskan mengikut sifat mekanikalnya, terutamanya kekuatan tegangan dan modulus. Jenis berkekuatan tinggi mempunyai kekuatan 2000 MPa dan modulus 250 GPa, manakala jenis modulus tinggi melebihi 300 GPa. Jenis kekuatan ultra tinggi mempunyai kekuatan lebih daripada 4000 MPa, dan jenis modulus ultra tinggi mempunyai modulus lebih daripada 450 GPa.

Aplikasi Semasa Komposit Gentian Karbon dalam Bidang Automotif

Dengan peningkatan permintaan untuk tenaga hijau dan kecekapan, tahap pemberat ringan automotif terus meningkat. Menurut data daripada Persatuan Aluminium Eropah, mengurangkan berat kenderaan sebanyak 10% boleh meningkatkan kecekapan tenaga sebanyak 6% hingga 8% dan mengurangkan pelepasan bahan pencemar sebanyak 10% setiap 100 kilometer. Untuk kenderaan tenaga baharu, mengurangkan berat sebanyak 100 kg boleh meningkatkan julatnya kira-kira 6% hingga 11%.

Komposit gentian karbon yang ringan dan berkekuatan tinggi mempunyai pelbagai aplikasi dalam kereta. Jadual 2 menyenaraikan beberapa model kenderaan yang menggunakan komposit gentian karbon, dan Rajah 2 menunjukkan saiz pasaran dan ramalan pasaran gentian karbon automotif global, yang dijangka mencecah 20,100 tan menjelang 2025.

Aplikasi Komposit Gentian Karbon dalam Penyimpanan Hidrogen

Oleh kerana kekuatannya yang tinggi, rintangan kakisan, rintangan keletihan, kalis nyalaan yang baik, dan kestabilan dimensi, komposit gentian karbon adalah bahan yang sesuai untuk penyimpanan hidrogen dalam kenderaan tenaga baharu dan penutup pek bateri yang ringan.

Tangki Penyimpanan Hidrogen Bertekanan Tinggi

Silinder gas tekanan tinggi adalah kaedah yang digunakan secara meluas untuk penyimpanan hidrogen oleh pengeluar domestik dan antarabangsa. Bergantung kepada bahan, tangki simpanan hidrogen bertekanan tinggi dikelaskan kepada Jenis I, II, III dan IV, diperbuat daripada keluli tulen, pelapik keluli dengan pembalut gentian, pelapik logam dengan pembalut gentian, dan pelapik plastik dengan pembalut gentian, masing-masing, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3.

Jadual 3 membandingkan prestasi pelbagai jenis tangki simpanan hidrogen. Storan hidrogen tekanan tinggi boleh dibahagikan kepada storan tekanan tinggi tetap, storan tekanan tinggi yang dipasang pada kenderaan ringan, dan storan tekanan tinggi pengangkutan. Tangki simpanan tekanan tinggi tetap, biasanya tangki hidrogen keluli dan bekas tekanan keluli, digunakan terutamanya di stesen mengisi bahan api hidrogen, menawarkan pembangunan kos rendah dan matang.

Tangki simpanan tekanan tinggi ringan yang dipasang pada kenderaan terutamanya menggunakan aloi aluminium atau pelapik plastik dengan pembalut gentian karbon untuk meningkatkan kekuatan struktur dan mengurangkan berat keseluruhan. Di peringkat antarabangsa, tangki Jenis IV yang dibalut gentian karbon 70 MPa digunakan secara meluas dalam kenderaan sel bahan api hidrogen, manakala di dalam negara, tangki Jenis III yang dibalut gentian karbon 35 MPa adalah lebih biasa, dengan penggunaan yang lebih sedikit untuk tangki Jenis III yang dibalut gentian karbon 70 MPa.

Komposit Gentian Karbon dalam Tangki Penyimpanan Hidrogen Bertekanan Tinggi yang Dipasang Kenderaan

Tangki jenis III dan IV ialah arus perdana untuk simpanan hidrogen bertekanan tinggi yang dipasang pada kenderaan, yang terdiri terutamanya daripada pelapik dan lapisan berbalut gentian. Rajah 4 menunjukkan keratan rentas tangki simpanan hidrogen tekanan tinggi komposit gentian karbon Jenis IV. Komposit gentian, dililit secara heliks dan gelung di sekeliling pelapik, terutamanya meningkatkan kekuatan struktur pelapik.

Pada masa ini, gentian biasa yang digunakan dalam tangki simpanan hidrogen tekanan tinggi yang dipasang kenderaan termasuk gentian karbon, gentian kaca, gentian silikon karbida, gentian aluminium oksida, gentian aramid dan gentian poli(p-fenilena benzobisoxazole). Antaranya, gentian karbon secara beransur-ansur menjadi bahan gentian arus perdana kerana sifatnya yang sangat baik.

Di dalam negara, pembangunan tangki simpanan hidrogen tekanan tinggi ketinggalan di belakang kemajuan antarabangsa. Amerika Syarikat, Kanada, dan Jepun telah mencapai pengeluaran besar-besaran tangki simpanan hidrogen 70 MPa dan telah mula menggunakan tangki Jenis IV. Syarikat A.S. seperti General Motors mempertingkatkan struktur lapisan berbalut gentian karbon, manakala Dynetek Kanada menambah baik lapisan penggulungan dan peralihan, meningkatkan kekuatan komposit gentian karbon dengan matriks resin. Walau bagaimanapun, disebabkan isu seperti pengedap plastik dan logam, peraturan China pada masa ini tidak membenarkan penggunaannya secara meluas.

Institusi domestik seperti Universiti Zhejiang dan Universiti Tongji telah berjaya membangunkan tangki simpanan hidrogen 70 MPa, dan syarikat seperti Blue Sky Energy di bawah Bohong Energy telah menembusi sistem penyimpanan hidrogen kenderaan 70 MPa. Selain itu, syarikat seperti Shenyang Starling, Beijing Ketaike, dan Beijing Tianhai juga telah membangunkan dan menguji tangki simpanan hidrogen 70 MPa.

Disebabkan oleh teknologi yang tidak matang dan kesukaran dalam pengeluaran besar-besaran tangki Jenis IV yang dibalut gentian karbon 70 MPa di dalam negara, kos penyediaan yang tinggi sangat menghalang permintaan dan pembangunan tangki Jenis IV. Menurut penyelidikan oleh Majlis Penyelidikan Automotif A.S., semakin besar skala pengeluaran tangki simpanan hidrogen tekanan tinggi, semakin rendah kosnya. Apabila skala pengeluaran meningkat daripada 10,000 kepada 500,000 set, kos boleh turun sebanyak satu perlima. Oleh itu, dengan kemajuan teknologi penyediaan dan pengembangan skala pengeluaran, tangki simpanan hidrogen bertekanan tinggi yang dipasang pada kenderaan berbalut gentian karbon tahap tinggi pasti akan bersinar pada masa hadapan.

Aplikasi Komposit Gentian Karbon dalam Penutup Pek Bateri

Pembangunan Penutup Pek Bateri

Kestabilan dan keselamatan bateri kuasa tenaga baharu sentiasa menjadi tumpuan perhatian. Penutup pek bateri ialah komponen utama sistem bateri kenderaan tenaga baharu, berkait rapat dengan sistem elektrik dan keselamatan kenderaan. Pek bateri kuasa, dilindungi oleh kepungan, membentuk badan utama pek bateri.

Penutup pek bateri memainkan peranan penting dalam operasi selamat dan perlindungan modul bateri, memerlukan bahan dengan rintangan kakisan, penebat, rintangan kepada kesan suhu biasa dan rendah (-25°C), dan kalis api. Rajah 5 menunjukkan pek bateri kuasa kenderaan tenaga baharu dan penguraiannya.

Sebagai pembawa modul bateri, penutup pek bateri memastikan operasi yang stabil dan perlindungan keselamatan modul bateri, biasanya dipasang di bahagian bawah kenderaan untuk melindungi bateri litium daripada kerosakan akibat perlanggaran dan mampatan luaran. Penutup bateri kenderaan tradisional dibuang daripada bahan seperti plat keluli dan aloi aluminium, dengan salutan permukaan untuk perlindungan. Dengan pembangunan kenderaan penjimatan tenaga dan ringan, bahan penutup bateri telah melihat alternatif ringan seperti komposit bertetulang gentian kaca, sebatian acuan kepingan dan komposit bertetulang gentian karbon.

Penutup pek bateri keluli ialah bahan asal yang digunakan untuk pek bateri kuasa, biasanya diperbuat daripada plat keluli yang dikimpal, menawarkan kekuatan dan ketegaran tinggi tetapi juga ketumpatan dan jisim tinggi, yang memerlukan proses perlindungan kakisan tambahan. Penutup aloi aluminium ialah bahan arus perdana untuk pek bateri kuasa, menawarkan ringan (hanya 35% daripada ketumpatan keluli), pemprosesan dan pembentukan yang mudah, dan rintangan kakisan.

Dengan pembangunan kenderaan ringan dan kemajuan teknologi pengacuan plastik termoset, plastik dan komposit baharu secara beransur-ansur digunakan sebagai bahan penutup pek bateri. Kepungan pek bateri plastik termoset mempunyai berat 35 kg, kira-kira 35% lebih ringan daripada penutup logam, dan boleh membawa 340 kg bateri.

Prospek Komposit Serat Karbon dalam Penutup Pek Bateri

Komposit gentian karbon, dengan banyak kelebihannya, telah menjadi pengganti ideal untuk penutup bateri logam tradisional dan telah pun melihat aplikasi awal dalam beberapa model kenderaan. Sebagai contoh, NIO, dengan kerjasama SGL Carbon Jerman, membangunkan pek bateri gentian karbon 84 kWj, mengurangkan berat cangkerang sebanyak 40% berbanding struktur aluminium, dengan ketumpatan tenaga melebihi 180 (W·h)/kg. Institut Teknologi Termaju Tianjin dan Lishen bersama-sama membangunkan penutup pek bateri komposit gentian karbon seberat kira-kira 24 kg, mengurangkan berat sebanyak 50% berbanding struktur aloi aluminium, dengan ketumpatan tenaga sehingga 210 (W·h)/kg.

Penyelidik seperti Duan Duanxiang et al. telah menjalankan reka bentuk ringan dan pengoptimuman proses lapis untuk penutup pek bateri komposit gentian karbon, mengurangkan berat kepungan sebanyak 66% berbanding struktur keluli sambil memenuhi keadaan kerja yang berkaitan. Zhao Xiaoyu et al. komposit gentian karbon terpakai dan kaedah reka bentuk setara kekukuhan untuk penutup pek bateri ringan, mencapai pengurangan berat sebanyak 64% hingga 67.6% berbanding dengan struktur keluli.

LIU et al. menangani masalah reka bentuk ringan penutup atas pek bateri komposit gentian karbon menggunakan kaedah RBDO, mencapai pengurangan berat sebanyak 22.14% sambil memenuhi keperluan prestasi. Tan Lizhong et al. membandingkan tiga penyelesaian: penutup atas aluminium setebal 1.5 mm (Skim 1), penutup atas gentian karbon setebal 1.5 mm (Skema 2), dan gentian karbon 0.5 mm panel sarang lebah tebal 3 mm penutup atas komposit gentian karbon tebal 0.5 mm (Skim 3). Mereka mendapati bahawa Skim 3 adalah optimum, mengurangkan berat badan sebanyak 31% berbanding Skim 1.

Tangki berbalut gentian pelapik logam (Jenis III) dan tangki berbalut gentian pelapik plastik (Jenis IV) ialah silinder gas berbalut komposit gentian arus perdana. Gentian seperti gentian kaca, gentian silikon karbida, gentian aluminium oksida, gentian boron, gentian karbon, gentian aramid, dan gentian poli(p-fenilena benzobisoxazole) telah digunakan untuk mengeluarkan silinder gas berbalut komposit gentian. Komposit gentian ringan, tahan hentaman dan kalis api juga dijangka menjadi bahan penting untuk penutup pek bateri ringan masa hadapan.

Walau bagaimanapun, disebabkan oleh kekangan kos, komposit gentian berprestasi tinggi yang didominasi oleh komposit gentian karbon tidak digunakan secara meluas dalam penutup pek bateri. Adalah dipercayai bahawa dengan pembangunan tenaga baru dan pengembangan aplikasi komposit gentian, kos penggunaan komposit gentian akan berkurangan secara beransur-ansur. Komposit gentian bersedia untuk bersinar dalam pasaran tenaga baharu masa hadapan.