تطبيق المركبات المستمرة المعززة بالألياف في أغطية بطارية الطاقة

منذ بداية القرن الحادي والعشرين ، غذ نضوج تكنولوجيا بطارية الليثيوم أيون التطور السريع للسيارات الكهربائية (EVs). في السنوات الأخيرة ، تسارع اختراق EV ، مما خلق اتجاهًا مزعجًا ضد مركبات محرك الاحتراق الداخلي التقليدي. ومع ذلك ، فإن التحديات مثل القلق النطاق ، وتقليل الأداء في فصل الشتاء ، وسلامة البطارية لا تزال تعيق قبول السوق الأوسع للـ EVs. يتطلب معالجة هذه المشكلات مزيدًا من الابتكار في تكنولوجيا بطارية الطاقة ، والتي ترتبط ارتباطًا وثيقًا بتطوير وتطبيق مواد جديدة. لا تشمل هذه المواد مواد الإلكترود فقط داخل خلايا البطارية ولكن أيضًا المواد الهيكلية على مستوى تكامل النظام ، مثل مواد سكن البطارية.

تتميز بعلب البطارية بالطاقة ، بما في ذلك حاويات وأغطية النظام ، عادةً من مواد معدنية مثل الصلب والألومنيوم. توفر هذه المواد عمليات التصنيع العالية وعمليات التصنيع ، وتلبية متطلبات الأداء الميكانيكية لمباني البطارية. ومع ذلك ، مع زيادة الطلب على كثافة الطاقة ، والعزل الحراري ، والسمات الأخرى ، بدأت المواد المركبة الخفيفة في استبدال المعادن أو استبدالها جزئيًا. لقد أصبح هذا اتجاهًا تقنيًا مهمًا في تطوير سكن البطارية ، حيث يكتسب اهتمامًا متزايدًا وتطبيقات استكشافية. على وجه الخصوص ، حققت الأغطية المركبة إنتاجًا كبيرًا في نماذج المركبات الجاهزة للسوق ، مع توسع نطاق الاستخدام والتطبيق بشكل مستمر وتعيين دورًا أكثر أهمية في المستقبل.

1. نظرة عامة على تطبيقات المواد المركبة

1.1 نظرة عامة على مركبات السيارات

في صناعة السيارات ، تم استخدام مركبات البوليمر/البلاستيك (FRP) المقوى بالألياف على نطاق واسع. تتضمن تطبيقاتها الأكثر شيوعًا استبدال المواد المعدنية التقليدية لتحقيق تقليل الوزن في مكونات مثل أجسام المركبات ، والقطط الداخلي والخارجي ، والألواح السفلية. اعتمادًا على خصائص معالجة مصفوفة الراتنج ، يتم تصنيف FRPs إلى مركبات حرارية ومرنة حرارية ، وكلاهما تم تبنيه على نطاق واسع في مجال السيارات.

• المركبات الحرارية
  تشمل راتنجات الترويج الشائعة راتنجات الايبوكسي ، والتي تتميز بعلاج الحرارة لمرة واحدة ، وقوة عالية ، ومقاومة للحرارة الممتازة ، والخصائص الكهربائية المتفوقة ، ومقاومة التآكل ، ومقاومة الشيخوخة ، والاستقرار الأبعاد.

• المركبات الحرارية
  تشمل راتنجات البلاستيك الحرارية الشائعة البولي بروبيلين (PP) ، النايلون/البولياميد (PA) ، البولي الكربونات (PC) ، والبولي إيثيلين (PE). هذه المواد تنعم عند تسخينها وتصلبها عند التبريد ، مما يسمح بالمعالجة المتكررة. أنها توفر مقاومة التأثير ، وسهولة المعالجة ، وإعادة التدوير.

تشمل الألياف المعززة الشائعة المستخدمة في Automotive FRP ألياف الكربون والألياف الزجاجية. في حين أن ألياف الكربون تتمتع بقوة فائقة ، فإن عمليات التصنيع المعقدة والتكاليف المرتفعة تحد من تطبيقها على نطاق واسع في EVs. الألياف الزجاجية أقل قوة ولكن أكثر فعالية من حيث التكلفة. ومع ذلك ، فإن إعادة تدوير وإعادة استخدام كل من مركبات الألياف الكربونية والزجاجية لا تزال صعبة ، والتي قد تشكل المخاوف البيئية.

يتم تصنيف الألياف المعززة على أساس أبعاد الألياف المحتجزة في المنتج المركب: الألياف القصيرة والألياف الطويلة والألياف المستمرة. تظهر المركبات المستمرة المقوى بالألياف أفضل قوة وتصلب ومقاومة تأثير ، مما يمثل إمكانات كبيرة لتطبيقات السيارات خفيفة الوزن.

---

1.2 عمليات صب مركبة

يمكن تشكيل المواد المركبة المستندة إلى الراتنج من خلال عمليات مثل صب الضغط ، صب الراتنج (RTM) ، لف الشعيرة ، و pultrusion. بالنسبة لهياكل الألواح الكبيرة مثل أغطية البطارية ، فإن الطرق الأساسية هي صب الضغط و RTM.

• صب الضغط: يتم وضع كمية محددة من مادة صب في قالب معدني ، ثم يتم تسخينها وضغطها للعلاج في الشكل. تشمل الفئات الفرعية:

• مركبات حرارة الألياف المتقطعة: SMC (مركب صب الألواح) ، BMC (مركب صب السائبة) ، TMC (مركب صب سميك).

• مركبات البلاستيك الحرارية الألياف المتقطعة: GMT (البلاستيك الحراري الزجاجي) ، LFT-D (لدعم حراري الألياف الطويلة المباشرة) ، LFT-G (حقن الحبيبات الحرارية الطويلة للألياف).

• مركبات الألياف المستمرة: PCM (صب prepreg prepression) ، WCM (صب الضغط الرطب).

• صب راتنج نقل (RTM): تتضمن هذه العملية حقن الراتنج في قالب مغلق لتشريب مواد التعزيز وعلاج المنتج. يتمتع RTM التقليدية بالقيود ، مثل انخفاض معدلات تشريب الراتنجات التي تسبب المسامية ، وتدفق الراتنج الذي يعطل محاذاة الألياف ، وتوزيع الراتنج غير المتكافئ في المنتجات الكبيرة. أدت هذه المشكلات إلى تحسين عمليات مثل RTM عالية الضغط (HP-RTM) وقولبة نقل الراتنج بمساعدة الفراغ (VARTM). HP-RTM ، على سبيل المثال ، يعزز ضغط حقن الراتنج ، مما يخلق منتجات ذات مسامية منخفضة وكسور عالية الألياف.

  
  

• 2. المواد المركبة في أغطية بطارية الطاقة

• تشمل المواد الشائعة لأغطية بطارية الطاقة الصلب وسبائك الألومنيوم والمركبات:

• فُولاَذ: أغطية الصلب توفر قوة عالية وتكلفة منخفضة. يتيح الفولاذ عالي القوة (على سبيل المثال ، HC340 ، DP590) سماكة 0.8 مم أو 0.7 مم للوزن الخفيف. تعمل العلاجات السطحية مثل الكهربائي على تحسين مقاومة التآكل ، في حين أن الطلاء المقاوم للحريق يعزز الحماية الحرارية.

• سبائك الألومنيوم: يوفر الألومنيوم قوة محددة أعلى من الصلب ، مما يتيح المزيد من الحد من الوزن. عادةً ما يتم استخدام سبائك الألومنيوم من 5 سلاسل ، مع سماكة منخفضة تصل إلى 1.2 مم أو 1.5 مم. بينما يشكل الألومنيوم طبقة أكسيد طبيعية لمقاومة التآكل ، فإن العلاجات مثل الكهربائي أو طلاء الرش أو تطبيق طبقات واقية تعمل على تحسين العزل والحماية الحرارية.

• المركبات: التطبيقات المبكرة للمركبات في أغطية البطارية تتضمن عمليات SMC باستخدام ألياف زجاجية متقطعة ، كما هو الحال في أغطية بطارية مركبات BAIC EU5. ومع ذلك ، فإن قوة SMC منخفضة (قوة الشد <100MPa) تتطلب سماكة 2 مم أو أكثر ، مما يحد من فوائد الخفيفة. المتقدمات الحديثة في عمليات صب الألياف المستمرة (على سبيل المثال ، PCM و HP-RTM) قد مددت تقنيات مركب ألياف الكربون إلى مركبات الألياف الزجاجية أكثر فعالية من حيث التكلفة.

• تحقق المركبات المستمرة التي تعزز الألياف الزجاجية الآن من قوة أعلى (قوة الشد> 400 ميجا باسا) من سبائك الألومنيوم ، مع كثافة أقل (~ 1.9g/cm³). يمكن تقليل السماكة إلى 1.2 مم أو أرق ، مما يتيح الوزن الخفيف الكبير. علاوة على ذلك ، فإن خصائص مقاومة الحريق المتأصلة في المواد وخصائص العزل تعزز السلامة مقارنة بالألمنيوم. ومع ذلك ، تبقى التكاليف أعلى من الصلب أو الألومنيوم.

• يستخدم الإنتاج الضخم من الأغطية المركب المستمر للألياف الزجاجية في المقام الأول عمليات PCM و HP-RTM.

• PCM: انخفاض الاستثمار المقدم ، والطبقة اليدوية prepreg ، وإنتاج أبطأ ، ومثالية للدفعات الصغيرة أو النماذج الأولية.

• HP-RTM: معدات أعلى وتكاليف العفن ، ومواد نسيج الألياف الجافة ، وحقن راتنجات الضغط عالية الضغط ، ومعدلات إنتاج أسرع ، وجودة السطح متفوقة.