Anwendung von kontinuierlichen faserverstärkten Verbundwerkstoffen in Leistungsbatterieabdeckungen

Seit Beginn des 21. Jahrhunderts hat die Reifung der Lithium-Ionen-Batterie-Technologie die schnelle Entwicklung von Elektrofahrzeugen (EVs) angeheizt. In den letzten Jahren hat sich die EV -Penetration beschleunigt und einen disruptiven Trend gegen traditionelle Fahrzeuge für interne Verbrennungsmotoren geschaffen. Herausforderungen wie die Angstzustände, eine verringerte Leistung im Winter und die Sicherheit der Batterie behindern jedoch immer noch eine breitere Marktakzeptanz von EVs. Die Behandlung dieser Probleme erfordert weitere Innovationen in der Strombatterie -Technologie, die eng mit der Entwicklung und Anwendung neuer Materialien verbunden ist. Diese Materialien umfassen nicht nur Elektrodenmaterialien in Batteriezellen, sondern auch strukturelle Materialien auf Systemintegrationsebene, wie z. B. Batterie -Gehäusematerialien.

Power Battery -Gehäuse, einschließlich Systemgehäuse und -abdeckungen, bestehen häufig aus Metallmaterialien wie Stahl und Aluminium. Diese Materialien bieten hohe Festigkeit und etablierte Herstellungsprozesse und erfüllen die mechanischen Leistungsanforderungen von Batteriegehäusen. Da die Anforderungen an die Energiedichte, die thermische Isolierung und andere Attribute zunehmen, haben leichte Verbundwerkstoffe Metalle ersetzt oder teilweise ersetzt. Dies ist zu einem erheblichen technologischen Trend bei der Entwicklung von Batterien geworden, wodurch zunehmende Aufmerksamkeit und explorative Anwendungen gewonnen werden. Insbesondere haben Verbundabdeckungen die Massenproduktion in marktfertigen Fahrzeugmodellen erreicht, wobei deren Nutzungs- und Anwendungsbereich kontinuierlich erweitert und in Zukunft eine noch entscheidendere Rolle spielen wird.

1. Überblick über Verbundmaterialanwendungen

1.1 Übersicht über Automobilverbundwerkstoffe

In der Automobilindustrie wurden faserverstärkte Polymer/Kunststoff-Verbundwerkstoffe (FRP) weit verbreitet. Bei ihren häufigsten Anwendungen werden herkömmliche Metallmaterialien ersetzt, um die Gewichtsreduzierung von Komponenten wie Fahrzeugkörpern, Innen- und Außenverkleidungen sowie Unterbodenpaneele zu erreichen. Abhängig von den Verarbeitungseigenschaften der Harzmatrix werden FRPs in Thermosettierungs- und thermoplastische Verbundwerkstoffe eingeteilt, die beide im Automobilfeld ausgiebig übernommen wurden.

• Thermosetting -Verbundwerkstoffe
  Zu den häufigen Thermosettungsharzen gehören Epoxidharz, gekennzeichnet durch einmalige Wärmehärtung, hohe Festigkeit, hervorragende Wärmebeständigkeit, überlegene elektrische Eigenschaften, Korrosionsbeständigkeit, Alterungsbeständigkeit und dimensionale Stabilität.

• Thermoplastische Verbundwerkstoffe
  Häufige thermoplastische Harze umfassen Polypropylen (PP), Nylon/Polyamid (PA), Polycarbonat (PC) und Polyethylen (PE). Diese Materialien erweichen beim Erhitzen und Härten beim Abkühlen und ermöglichen eine wiederholte Verarbeitung. Sie bieten Auswirkungen, einfache Verarbeitung und Recyclingfähigkeit.

Häufige Verstärkungsfasern in Automobil -FRPs umfassen Kohlefaser und Glasfaser. Während Kohlefaser überlegene Festigkeit aufweist, begrenzt seine komplexen Herstellungsprozesse und hohen Kosten ihre groß angelegte Anwendung in EVs. Glasfaser sind weniger stark, aber kostengünstiger. Das Recycling und die Wiederverwendung von Kohlenstoff- und Glasfaserverbundwerkstoffen bleiben jedoch eine Herausforderung und machen möglicherweise Umweltprobleme.

Verstärkungsfasern werden basierend auf zurückgehaltenen Faserabmessungen im Verbundprodukt kategorisiert: kurze Fasern, lange Fasern und kontinuierliche Fasern. Kontinuierliche faserverstärkte Verbundwerkstoffe weisen die beste Festigkeit, Steifheit und Aufprallfestigkeit auf und bieten ein erhebliches Potenzial für leichte Automobilanwendungen.

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1.2 Verbundformprozesse

Verbundwerkstoffe auf Harzbasis können durch Prozesse wie Kompressionsleisten, Harzübertragungsform (RTM), Filamentwicklung und Pulstusion geformt werden. Bei großen Panelstrukturen wie Batterieabdeckungen sind die primären Methoden Kompressionsformen und RTM.

• Kompressionsformung: Eine definierte Menge von Formmaterial wird in eine Metallform gelegt, dann erhitzt und gepresst, um in Form zu heilen. Unterkategorien umfassen:

• Diskontinuierliche Faser -Thermosetting -Verbundwerkstoffe: SMC (Blechformmasse), BMC (Schüttgut -Formmaterial), TMC (dicke Formmasse).

• Diskontinuierliche Faser -Thermoplastik -Verbundwerkstoffe: GMT (Glasmatten-Thermoplastik), LFT-D (Thermoplastik), LFT-G (Langfaser-Thermoplastik-Granulatinjektion).

• Kontinuierliche Faserverbundwerkstoffe: PCM (Prepreg -Kompressionsformel), WCM (Feuchtkompressionsformel).

• Harzübertragungsform (RTM): Dieser Prozess beinhaltet das Injektieren von Harz in eine geschlossene Form, um Verstärkungsmaterialien zu imprägnieren und das Produkt zu heilen. Herkömmliche RTM weist Einschränkungen auf, wie z. B. niedrige Harzimprägnationsraten, die Porosität verursachen, die Ausrichtung der Faserfasern in Harz stören, und die ungleichmäßige Harzverteilung in großen Produkten. Diese Probleme haben zu verbesserten Prozessen wie Hochdruck-RTM (HP-RTM) und vakuumunterstütztem Harzübertragungsform (VARTM) geführt. HP-RTM erhöht beispielsweise den Harzinjektionsdruck und bildet Produkte mit geringer Porosität und hohem Faservolumenfraktionen her.

  

  
  

• 2. Verbundwerkstoffe in Leistungsbatterieabdeckungen

• Zu den häufigen Materialien für die Batterieabdeckungen gehören Stahl, Aluminiumlegierungen und Verbundwerkstoffe:

• Stahl: Stahlabdeckungen bieten hohe Festigkeit und niedrige Kosten. Hochfeste Stähle (z. B. HC340, DP590) ermöglichen Dicken von 0,8 mm oder 0,7 mm für die leichte Gewicht. Oberflächenbehandlungen wie Elektrophorese verbessern die Korrosionsbeständigkeit, während feuerfeste Beschichtungen den thermischen Schutz verbessern.

• Aluminiumlegierungen: Aluminium bietet eine höhere spezifische Festigkeit als Stahl und ermöglicht eine weitere Gewichtsreduzierung. Typischerweise werden 5-Serie-Aluminiumlegierungen verwendet, wobei Dicke von nur 1,2 mm oder 1,5 mm dicken. Während Aluminium eine natürliche Oxidschicht für die Korrosionsbeständigkeit bildet, verbessern Behandlungen wie Elektrophorese, Sprühbeschichtung oder die Anwendung von Schutzschichten die Isolierung und den thermischen Schutz.

• Verbundwerkstoffe: Frühe Anwendungen von Verbundwerkstoffen in Batterieabdeckungen umfassten SMC -Prozesse mit diskontinuierlichen Glasfasern, wie z. B. in den Batterieabdeckungen von BAIC EU5 -Fahrzeugen. Die geringe Festigkeit von SMC -Materialien (Zugfestigkeit <100 mPa) erforderte jedoch eine Dicke von 2 mm oder mehr und begrenzt die leichten Vorteile. Jüngste Fortschritte bei kontinuierlichen Faserformprozessen (z. B. PCM und HP-RTM) haben erweiterte Kohlefaserverbundtechniken auf kostengünstigere Glasfaserverbundwerkstoffe.

• Kontinuierliche Glasfaserverstärkungsverstärker erzielen jetzt eine höhere Festigkeit (Zugfestigkeit> 400 mPa) als Aluminiumlegierungen mit geringerer Dichte (~ 1,9 g/cm³). Dicken können auf 1,2 mm oder dünner reduziert werden, was eine erhebliche leichte Leichtigkeit ermöglicht. Darüber hinaus verbessern die inhärenten Brandresistenz- und Isolationseigenschaften des Materials die Sicherheit im Vergleich zu Aluminium. Die Kosten bleiben jedoch höher als Stahl oder Aluminium.

• Die Massenproduktion von kontinuierlichen Glasfaserverstärkten-Verbundabdeckungen verwendet hauptsächlich PCM- und HP-RTM-Prozesse.

• PCM: Niedrigere Vorabinvestition, manuelle Vorbereitungsschichtung, langsamere Produktion, ideal für kleine Chargen oder Prototypen.

• HP-RTM: Höhere Ausrüstung und Schimmelpilzkosten, trockene Fasergewebematerialien, Vakuum-Hochdruckharzeinspritzung, schnellere Produktionsraten und überlegene Oberflächenqualität.