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高性能纤维在新一代汽车中的最新应用进展

2014-12-06罗益锋

纺织导报 2014年11期
关键词:轻量化电动汽车节能

罗益锋

摘要:汽车向轻量化、节能化、电动化和环保化发展已是大势所趋。近年来,通过更新传统电池的设计理念,采用高性能纤维的关键部件和不断降低生产成本,各种新能源动力汽车开始孕育而生。本文介绍了汽车轻量化、节能化的最新进展和国内外新型车用动力电池的发展动态,重点介绍了高性能纤维在其关键部件中的最新应用进展,以为我国新能源汽车的发展提供一些思路。

关键词:轻量化;节能;电动汽车;新型电池;高性能纤维;碳纤维复合材料

中图分类号:TQ342+.7 文献标志码: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

在大气污染和温室效应日益威胁人类生存环境的现实情况下,汽车的轻量化、节能化、电动化和环保化是大势所趋。为了实现上述目标,美、欧、日等先进国家和地区率先通过法律法规,分阶段规定新出厂的汽车每消耗 1 L汽油需达到的行驶里程数,我国也开始紧跟,这就迫使汽车生产厂家分阶段扩大碳纤维复合材料(CFRP)等在汽车非承力和承力件及零部件中的应用。

另一方面,各国政府投巨资积极支持企业和科研院所研发新型动力电池,以促进电动汽车的产业化和逐步普及。然而,由于现有动力电池的安全性、高成本、体积大且重、充电时间长、续驶距离有限和废弃物难以处置等问题而发展缓慢。

近年来,通过更新传统电池的设计理念,采用高性能纤维的关键部件和不断降低生产成本,各种新能源动力汽车开始孕育而生。比如目前出现的一种最先进的概念车采用了 CFRP结构材料,先进电池,塑料光导纤维的光显示系统,对位芳香族聚酰胺纤维的子午胎、同步带和高压软管,碳纤维等耐热部件和刹车片,以及用碳纤维或聚丙烯毡等制成的消音器,而内装饰材料选用了可生物降解的聚乳酸纤维等绿色产品。

1 汽车轻量化、节能化的最新进展与技术进步

1.1 汽车结构材料采用CFRP是大势所趋

美欧日和我国相继出台越来越严的法律法规,达不到规定的耗油量就不能生产,外国车也不许进口,这对电动车的发展具有重要的推动作用。要达到规定的指标,必须使汽车最终减重50% ~ 60%,而最佳的选择是采用CFRP结构材料。碳纤维价格贵是目前的瓶颈,随着生产技术的高效化、市场应用的推广以及生产规模的大型化,其成本有望降低。CFRP成型工艺的多样化、高效化和低成本化,将助推CFRP汽车由高档车逐步向中档车发展。

目前用碳纤维增强热塑性树脂(CFRTP)制造非承力件,只需 1 ~ 5 min,且碳纤维增强热固型树脂作为承力件也只需1 ~ 3 min,有利于实现连续化生产和降低成本。

通过成型周期短的RTM一体化成型,部件数少。以“TEEWAVE”AR1车为例,与钢制品相比,其部件数减少至1/20,减重约53%,CO2排放量减少约9%,但还需解决CFRP部件与钢制品的粘合问题。

图 1 所示为CFRP和生物质材料在汽车中的应用。

图 2 所示为CFRP的各种成型工艺,表 1 为 8 家主要的国际汽车企业推出的CFRP车型、应用部位、车型工艺及售价等。

1.2 多种高科技纤维助推汽车的轻量化

汽车轻量化的要求,除带动塑料部件的多方应用外,还推动了天然纤维增强塑料、碳纤维和超高相对分子质量聚乙烯(UHMWPE)纤维混杂复合材料部件、对位芳香族聚酰胺纤维子午胎、胶带、胶管、刹车片(含碳纤维制品)及塑料光纤(POF)的全方位应用。

三菱丽阳的车载光显示和光通信用POF正向全球普及。POF为PMMA芯和氟树脂鞘材,直径以 1 mm和0.75 mm为主,现已应用于奔驰、宝马、奥迪、达州、福特等的高档车,并占全球市场的60% ~ 70%,2013年其需求量达 5 万 ~ 6 万km,每秒可实现 1 Gps以上的高速信息传输。以聚苯乙烯为芯材、PMMA为鞘材的廉价POF现已部分应用于国产汽车中作为LED照明与光显示系统。据测算,汽车采用POF后可比采用电线减重10 ~ 20 kg,轻量化近30%。

除此之外,宁波大成新材料股份有限公司与奇瑞汽车合作,开发了PAN-CF与UHMWPE纤维织布增强环氧树脂引擎盖(图 3)和电池外壳箱(图 4)等试制品,不仅更轻量化,还提高了抗冲击性能。

汽车的轻量化同时也带来了运行过程中噪音增大的问题,对此,除了利用CFRP本身具有震动吸收能力的优势,国外多家公司开发了汽车用吸音器或消音器。通常,高档车可选用对位芳香族聚酰胺纤维或碳纤维加工的针刺毡,普通车多采用涤纶或丙纶非织造布。日本帝人纤维公司开发了纵向排列的非织造布结构体“V-LAP”,作为汽车顶部和底盘的吸音材料;可乐丽Clarex公司开发了具有震动吸收能力的蒸汽喷射非织造布“フレクスター”,原料采用可乐丽生产的芯鞘型板状非织造布,芯材为聚酯,鞘材为乙烯-乙烯醇(EVA)共聚物。

电动汽车和新一代车的排热量较少,而且随着驱动系统的高效化和走行阻力的减少,所需能量相对较少,因此相对而言用于空调的能量比率增大,需要加强整体保温材料的开发和应用。

1.3 CFRP回收技术的开发和产业化迫在眉睫

随着CFRP在各产业领域的大规模广泛应用,其废弃物的回收再利用将成为关键。CFRP的再生相对容易,一般采取粉碎再制成母粒使用。但目前碳纤维增强热固性树脂是CFRP的主流产品,回收再利用难度较大,现阶段对此已开发出超临界液体法、热分解法、常压溶解法、过热蒸汽处理法、太阳能法和水热加压法等回收再生工艺,且有些已实现产业化。

对于所回收的碳长丝等,可加工成非织造布、短切纤维或直接制成CFRP,再生碳长丝的表面处理技术、成本和寿命周期评价等则是目前该领域面临的问题。

2 新型车用动力电池的最新进展及高性能纤维的重要作用

电池是电动汽车的关键部件,近年来研发工作日新月异,出现了“百花齐放”的局面,表 2 所示为几种有望产业化、初步产业化的动力电池尚存在的问题和新进展。

2.1 锂离子电池

美国电动汽车Tesla(特斯拉)(图 5)的市场化被认为对于新能源汽车的发展具有里程碑意义,其单次充电时间可缩短至30 ~ 60 min,靠扩大电池容量和增大车型使一次充电可续驶300 ~ 500 km,电池总重在500 ~ 1 000 kg之间,占汽车成本的50% ~ 60%,据报道曾发生过 6 次自燃事故。

对于这一车型的电池,改进的方向是采用碳纤维作为高强电极材料,而东丽和三菱树脂分别提供均质聚酰亚胺非织造布和湿法成型PE单层膜与芳纶非织造布相复合的电池隔膜,可耐200 ℃以上的高温。帝人提供在PE基材上复合Conex(一种间位芳香族聚酰胺纤维)非织造布并涂覆氟化物,以及间位芳香族聚酰胺纳米纤维非织造布作为锂离子电池隔膜。

此外,中国海诚工程科技股份有限公司研发的PET/ TENCEL?非织造布通过涂覆20%的Al2O3粉作为锂离子电池的5P-1隔膜,容量保持率可达83.4%。

2.2 氢-空气燃料电池

氢-空气燃料电池是清洁能源且原料价廉,但其所用Pt等催化剂昂贵,要产业化需改进氢的制造、储存和运输技术,按国际标准氢储罐压力需耐700 MPa的压力和超低温,而供氢站约需500 L的储存罐,这些都需CFRP高压容器。

另外,储氢还涉及储氢材料,目前最好的吸氢材料是经硝酸处理的单壁碳纳米管(SWCNT)和活性炭纤维,如图 6所示,也可采用储氢合金。

为防止催化剂中毒,需采用Pt和各种辅助金属(Ru、Sn、Pd、Bi、Mo等)的合金催化剂,并需中、小直径的碳纳米纤维(CNF)(直径为10 ~ 50 nm)作为载体,才能用于高活性、低温型的燃料电池,并降低Pt的用量和成本,具体如表 3 和表 4所示。

车载的CFRP氢气瓶内压需由目前的35 MPa提高至70 MPa,方能实现 3 min内充一次氢气跑500 km以上,搭载氢气量增大30%,具体方案及应用示例如图 7 — 图 9 所示。

燃料电池的气体扩散层可选用碳纤维织物或非织造布。中国工程物理研究院化工材料研究所研发在Nafion共聚物中掺入单壁碳纳米管的复合膜,可用作质子交换膜的燃料电池阳极催化层。

2014年一季度,丰田燃料汽车(图10)在加拿大作运行试验,最长续驶距离可达620 km,计划在2015年实现商品化。

此外,将于2015年投放市场的还有现代i-blue车型(图11),据报道续驶距离为600 km;凯迪拉克Provoq车型(图12),续驶距离为483 km。

2.3 钠硫电池

钠硫电池的优点是能量密度高,寿命长,价廉,操作温度在300 ~ 350 ℃之间,但具有强腐蚀性,曾发生过自燃。为解决其安全性,日本ガイシ公司的解决方案是用碳片材将单电池卷起来,以提高耐热性。

目前国外采用该电池的续驶距离为500 km,而我国据称可达1 000 km。

2.4 铝-空气电池

铝-空气电池的优点是理论能量密度高达8 135 Wh/kg,实际可达400 ~ 600 Wh/kg,铝负极电流密度高达350 ~ 500 mA/cm2,有利于驱动;缺点是阳极极化严重,铝表面易形成氧化膜,负极腐蚀严重,正极材料的贵金属催化剂昂贵。电池高导电层有选用碳纤维毡的。

2.5 锌-空气电池

锌-空气电池作为一次电池现已实用化,日本松下的PR44电池能量密度高达466 Wh/kg或1 473 Wh/L。但作为二次电池在充电时会析出树脂状晶体,使电极产生自放电,造成电容电流丢失快的问题。此外,在空气极要开发高效的氧化还原反应等的催化剂。国外的相关专利中有选用微管式电池隔膜取代平板膜的方法,以扩大单位体积的膜反应面积。

我国有多家科研院所和企业进行车用锌-空气电池的研发,其中江苏泰康电动车有限公司的产品已试用于武汉公共汽车上,但电池组没电后需更换下来,经重新处理和更换电解液后才能重新使用。

2.6 锂-空气电池

锂-空气电池可望有较大的容量,但在有机电解液体系要确保反应生成物Li2O以微粒析出并进行可逆反应,而在水溶液体系中则要开发金属锂与水溶液分离的电解质膜。

为了获得高比容量,负极材料有选用单壁碳纳米管和碳纳米纤维相组合的膜,可获得2 500 mAh/g的电流密度,但为防止电容下降,需添加α-MnO2作为催化剂。

2.7 硼化钒-空气电池

硼化钒-空气电池是中德合作研发并由中方控股的项目,其优点是无需充电,而靠硼化钒(VB2)纳米粉与空气中的氧在催化剂存在的情况下发生反应产生电流,反应产物可再生循环使用,更换电池中的VB2只需 3 ~ 5 min,反应温度不超过60 ℃,因而不易发生自燃和爆炸。其先进性和创新点还在于将传统电池的平板电池隔膜设计成了微管式或中空纤维膜及环绕内外层的电极,具体如图13所示。

该新型电池的新颖性还在于中空纤维直径越小,电池质量和体积就越小,而能量密度却越高,与其他电池的原理相反。

据报道,该电池已于2013年被授权实用新型专利,2014年发明专利也已进入实审期。将来实现产业化后,第一代电动车可续航500 km,第二代则可实现1 000 km。

3 结语

目前,我国正加大对新能源汽车用新型动力电池的开发力度,并对购买电动汽车实行一定的优惠政策,这非常有利于我国新能源汽车的发展。为了促进我国电动汽产业的发展,可借鉴国外的成功经验,以整车厂为主导,与电池、汽车配件及主要纤维材料生产商等进行紧密协作。

参考文献(略)

除此之外,宁波大成新材料股份有限公司与奇瑞汽车合作,开发了PAN-CF与UHMWPE纤维织布增强环氧树脂引擎盖(图 3)和电池外壳箱(图 4)等试制品,不仅更轻量化,还提高了抗冲击性能。

汽车的轻量化同时也带来了运行过程中噪音增大的问题,对此,除了利用CFRP本身具有震动吸收能力的优势,国外多家公司开发了汽车用吸音器或消音器。通常,高档车可选用对位芳香族聚酰胺纤维或碳纤维加工的针刺毡,普通车多采用涤纶或丙纶非织造布。日本帝人纤维公司开发了纵向排列的非织造布结构体“V-LAP”,作为汽车顶部和底盘的吸音材料;可乐丽Clarex公司开发了具有震动吸收能力的蒸汽喷射非织造布“フレクスター”,原料采用可乐丽生产的芯鞘型板状非织造布,芯材为聚酯,鞘材为乙烯-乙烯醇(EVA)共聚物。

电动汽车和新一代车的排热量较少,而且随着驱动系统的高效化和走行阻力的减少,所需能量相对较少,因此相对而言用于空调的能量比率增大,需要加强整体保温材料的开发和应用。

1.3 CFRP回收技术的开发和产业化迫在眉睫

随着CFRP在各产业领域的大规模广泛应用,其废弃物的回收再利用将成为关键。CFRP的再生相对容易,一般采取粉碎再制成母粒使用。但目前碳纤维增强热固性树脂是CFRP的主流产品,回收再利用难度较大,现阶段对此已开发出超临界液体法、热分解法、常压溶解法、过热蒸汽处理法、太阳能法和水热加压法等回收再生工艺,且有些已实现产业化。

对于所回收的碳长丝等,可加工成非织造布、短切纤维或直接制成CFRP,再生碳长丝的表面处理技术、成本和寿命周期评价等则是目前该领域面临的问题。

2 新型车用动力电池的最新进展及高性能纤维的重要作用

电池是电动汽车的关键部件,近年来研发工作日新月异,出现了“百花齐放”的局面,表 2 所示为几种有望产业化、初步产业化的动力电池尚存在的问题和新进展。

2.1 锂离子电池

美国电动汽车Tesla(特斯拉)(图 5)的市场化被认为对于新能源汽车的发展具有里程碑意义,其单次充电时间可缩短至30 ~ 60 min,靠扩大电池容量和增大车型使一次充电可续驶300 ~ 500 km,电池总重在500 ~ 1 000 kg之间,占汽车成本的50% ~ 60%,据报道曾发生过 6 次自燃事故。

对于这一车型的电池,改进的方向是采用碳纤维作为高强电极材料,而东丽和三菱树脂分别提供均质聚酰亚胺非织造布和湿法成型PE单层膜与芳纶非织造布相复合的电池隔膜,可耐200 ℃以上的高温。帝人提供在PE基材上复合Conex(一种间位芳香族聚酰胺纤维)非织造布并涂覆氟化物,以及间位芳香族聚酰胺纳米纤维非织造布作为锂离子电池隔膜。

此外,中国海诚工程科技股份有限公司研发的PET/ TENCEL?非织造布通过涂覆20%的Al2O3粉作为锂离子电池的5P-1隔膜,容量保持率可达83.4%。

2.2 氢-空气燃料电池

氢-空气燃料电池是清洁能源且原料价廉,但其所用Pt等催化剂昂贵,要产业化需改进氢的制造、储存和运输技术,按国际标准氢储罐压力需耐700 MPa的压力和超低温,而供氢站约需500 L的储存罐,这些都需CFRP高压容器。

另外,储氢还涉及储氢材料,目前最好的吸氢材料是经硝酸处理的单壁碳纳米管(SWCNT)和活性炭纤维,如图 6所示,也可采用储氢合金。

为防止催化剂中毒,需采用Pt和各种辅助金属(Ru、Sn、Pd、Bi、Mo等)的合金催化剂,并需中、小直径的碳纳米纤维(CNF)(直径为10 ~ 50 nm)作为载体,才能用于高活性、低温型的燃料电池,并降低Pt的用量和成本,具体如表 3 和表 4所示。

车载的CFRP氢气瓶内压需由目前的35 MPa提高至70 MPa,方能实现 3 min内充一次氢气跑500 km以上,搭载氢气量增大30%,具体方案及应用示例如图 7 — 图 9 所示。

燃料电池的气体扩散层可选用碳纤维织物或非织造布。中国工程物理研究院化工材料研究所研发在Nafion共聚物中掺入单壁碳纳米管的复合膜,可用作质子交换膜的燃料电池阳极催化层。

2014年一季度,丰田燃料汽车(图10)在加拿大作运行试验,最长续驶距离可达620 km,计划在2015年实现商品化。

此外,将于2015年投放市场的还有现代i-blue车型(图11),据报道续驶距离为600 km;凯迪拉克Provoq车型(图12),续驶距离为483 km。

2.3 钠硫电池

钠硫电池的优点是能量密度高,寿命长,价廉,操作温度在300 ~ 350 ℃之间,但具有强腐蚀性,曾发生过自燃。为解决其安全性,日本ガイシ公司的解决方案是用碳片材将单电池卷起来,以提高耐热性。

目前国外采用该电池的续驶距离为500 km,而我国据称可达1 000 km。

2.4 铝-空气电池

铝-空气电池的优点是理论能量密度高达8 135 Wh/kg,实际可达400 ~ 600 Wh/kg,铝负极电流密度高达350 ~ 500 mA/cm2,有利于驱动;缺点是阳极极化严重,铝表面易形成氧化膜,负极腐蚀严重,正极材料的贵金属催化剂昂贵。电池高导电层有选用碳纤维毡的。

2.5 锌-空气电池

锌-空气电池作为一次电池现已实用化,日本松下的PR44电池能量密度高达466 Wh/kg或1 473 Wh/L。但作为二次电池在充电时会析出树脂状晶体,使电极产生自放电,造成电容电流丢失快的问题。此外,在空气极要开发高效的氧化还原反应等的催化剂。国外的相关专利中有选用微管式电池隔膜取代平板膜的方法,以扩大单位体积的膜反应面积。

我国有多家科研院所和企业进行车用锌-空气电池的研发,其中江苏泰康电动车有限公司的产品已试用于武汉公共汽车上,但电池组没电后需更换下来,经重新处理和更换电解液后才能重新使用。

2.6 锂-空气电池

锂-空气电池可望有较大的容量,但在有机电解液体系要确保反应生成物Li2O以微粒析出并进行可逆反应,而在水溶液体系中则要开发金属锂与水溶液分离的电解质膜。

为了获得高比容量,负极材料有选用单壁碳纳米管和碳纳米纤维相组合的膜,可获得2 500 mAh/g的电流密度,但为防止电容下降,需添加α-MnO2作为催化剂。

2.7 硼化钒-空气电池

硼化钒-空气电池是中德合作研发并由中方控股的项目,其优点是无需充电,而靠硼化钒(VB2)纳米粉与空气中的氧在催化剂存在的情况下发生反应产生电流,反应产物可再生循环使用,更换电池中的VB2只需 3 ~ 5 min,反应温度不超过60 ℃,因而不易发生自燃和爆炸。其先进性和创新点还在于将传统电池的平板电池隔膜设计成了微管式或中空纤维膜及环绕内外层的电极,具体如图13所示。

该新型电池的新颖性还在于中空纤维直径越小,电池质量和体积就越小,而能量密度却越高,与其他电池的原理相反。

据报道,该电池已于2013年被授权实用新型专利,2014年发明专利也已进入实审期。将来实现产业化后,第一代电动车可续航500 km,第二代则可实现1 000 km。

3 结语

目前,我国正加大对新能源汽车用新型动力电池的开发力度,并对购买电动汽车实行一定的优惠政策,这非常有利于我国新能源汽车的发展。为了促进我国电动汽产业的发展,可借鉴国外的成功经验,以整车厂为主导,与电池、汽车配件及主要纤维材料生产商等进行紧密协作。

参考文献(略)

除此之外,宁波大成新材料股份有限公司与奇瑞汽车合作,开发了PAN-CF与UHMWPE纤维织布增强环氧树脂引擎盖(图 3)和电池外壳箱(图 4)等试制品,不仅更轻量化,还提高了抗冲击性能。

汽车的轻量化同时也带来了运行过程中噪音增大的问题,对此,除了利用CFRP本身具有震动吸收能力的优势,国外多家公司开发了汽车用吸音器或消音器。通常,高档车可选用对位芳香族聚酰胺纤维或碳纤维加工的针刺毡,普通车多采用涤纶或丙纶非织造布。日本帝人纤维公司开发了纵向排列的非织造布结构体“V-LAP”,作为汽车顶部和底盘的吸音材料;可乐丽Clarex公司开发了具有震动吸收能力的蒸汽喷射非织造布“フレクスター”,原料采用可乐丽生产的芯鞘型板状非织造布,芯材为聚酯,鞘材为乙烯-乙烯醇(EVA)共聚物。

电动汽车和新一代车的排热量较少,而且随着驱动系统的高效化和走行阻力的减少,所需能量相对较少,因此相对而言用于空调的能量比率增大,需要加强整体保温材料的开发和应用。

1.3 CFRP回收技术的开发和产业化迫在眉睫

随着CFRP在各产业领域的大规模广泛应用,其废弃物的回收再利用将成为关键。CFRP的再生相对容易,一般采取粉碎再制成母粒使用。但目前碳纤维增强热固性树脂是CFRP的主流产品,回收再利用难度较大,现阶段对此已开发出超临界液体法、热分解法、常压溶解法、过热蒸汽处理法、太阳能法和水热加压法等回收再生工艺,且有些已实现产业化。

对于所回收的碳长丝等,可加工成非织造布、短切纤维或直接制成CFRP,再生碳长丝的表面处理技术、成本和寿命周期评价等则是目前该领域面临的问题。

2 新型车用动力电池的最新进展及高性能纤维的重要作用

电池是电动汽车的关键部件,近年来研发工作日新月异,出现了“百花齐放”的局面,表 2 所示为几种有望产业化、初步产业化的动力电池尚存在的问题和新进展。

2.1 锂离子电池

美国电动汽车Tesla(特斯拉)(图 5)的市场化被认为对于新能源汽车的发展具有里程碑意义,其单次充电时间可缩短至30 ~ 60 min,靠扩大电池容量和增大车型使一次充电可续驶300 ~ 500 km,电池总重在500 ~ 1 000 kg之间,占汽车成本的50% ~ 60%,据报道曾发生过 6 次自燃事故。

对于这一车型的电池,改进的方向是采用碳纤维作为高强电极材料,而东丽和三菱树脂分别提供均质聚酰亚胺非织造布和湿法成型PE单层膜与芳纶非织造布相复合的电池隔膜,可耐200 ℃以上的高温。帝人提供在PE基材上复合Conex(一种间位芳香族聚酰胺纤维)非织造布并涂覆氟化物,以及间位芳香族聚酰胺纳米纤维非织造布作为锂离子电池隔膜。

此外,中国海诚工程科技股份有限公司研发的PET/ TENCEL?非织造布通过涂覆20%的Al2O3粉作为锂离子电池的5P-1隔膜,容量保持率可达83.4%。

2.2 氢-空气燃料电池

氢-空气燃料电池是清洁能源且原料价廉,但其所用Pt等催化剂昂贵,要产业化需改进氢的制造、储存和运输技术,按国际标准氢储罐压力需耐700 MPa的压力和超低温,而供氢站约需500 L的储存罐,这些都需CFRP高压容器。

另外,储氢还涉及储氢材料,目前最好的吸氢材料是经硝酸处理的单壁碳纳米管(SWCNT)和活性炭纤维,如图 6所示,也可采用储氢合金。

为防止催化剂中毒,需采用Pt和各种辅助金属(Ru、Sn、Pd、Bi、Mo等)的合金催化剂,并需中、小直径的碳纳米纤维(CNF)(直径为10 ~ 50 nm)作为载体,才能用于高活性、低温型的燃料电池,并降低Pt的用量和成本,具体如表 3 和表 4所示。

车载的CFRP氢气瓶内压需由目前的35 MPa提高至70 MPa,方能实现 3 min内充一次氢气跑500 km以上,搭载氢气量增大30%,具体方案及应用示例如图 7 — 图 9 所示。

燃料电池的气体扩散层可选用碳纤维织物或非织造布。中国工程物理研究院化工材料研究所研发在Nafion共聚物中掺入单壁碳纳米管的复合膜,可用作质子交换膜的燃料电池阳极催化层。

2014年一季度,丰田燃料汽车(图10)在加拿大作运行试验,最长续驶距离可达620 km,计划在2015年实现商品化。

此外,将于2015年投放市场的还有现代i-blue车型(图11),据报道续驶距离为600 km;凯迪拉克Provoq车型(图12),续驶距离为483 km。

2.3 钠硫电池

钠硫电池的优点是能量密度高,寿命长,价廉,操作温度在300 ~ 350 ℃之间,但具有强腐蚀性,曾发生过自燃。为解决其安全性,日本ガイシ公司的解决方案是用碳片材将单电池卷起来,以提高耐热性。

目前国外采用该电池的续驶距离为500 km,而我国据称可达1 000 km。

2.4 铝-空气电池

铝-空气电池的优点是理论能量密度高达8 135 Wh/kg,实际可达400 ~ 600 Wh/kg,铝负极电流密度高达350 ~ 500 mA/cm2,有利于驱动;缺点是阳极极化严重,铝表面易形成氧化膜,负极腐蚀严重,正极材料的贵金属催化剂昂贵。电池高导电层有选用碳纤维毡的。

2.5 锌-空气电池

锌-空气电池作为一次电池现已实用化,日本松下的PR44电池能量密度高达466 Wh/kg或1 473 Wh/L。但作为二次电池在充电时会析出树脂状晶体,使电极产生自放电,造成电容电流丢失快的问题。此外,在空气极要开发高效的氧化还原反应等的催化剂。国外的相关专利中有选用微管式电池隔膜取代平板膜的方法,以扩大单位体积的膜反应面积。

我国有多家科研院所和企业进行车用锌-空气电池的研发,其中江苏泰康电动车有限公司的产品已试用于武汉公共汽车上,但电池组没电后需更换下来,经重新处理和更换电解液后才能重新使用。

2.6 锂-空气电池

锂-空气电池可望有较大的容量,但在有机电解液体系要确保反应生成物Li2O以微粒析出并进行可逆反应,而在水溶液体系中则要开发金属锂与水溶液分离的电解质膜。

为了获得高比容量,负极材料有选用单壁碳纳米管和碳纳米纤维相组合的膜,可获得2 500 mAh/g的电流密度,但为防止电容下降,需添加α-MnO2作为催化剂。

2.7 硼化钒-空气电池

硼化钒-空气电池是中德合作研发并由中方控股的项目,其优点是无需充电,而靠硼化钒(VB2)纳米粉与空气中的氧在催化剂存在的情况下发生反应产生电流,反应产物可再生循环使用,更换电池中的VB2只需 3 ~ 5 min,反应温度不超过60 ℃,因而不易发生自燃和爆炸。其先进性和创新点还在于将传统电池的平板电池隔膜设计成了微管式或中空纤维膜及环绕内外层的电极,具体如图13所示。

该新型电池的新颖性还在于中空纤维直径越小,电池质量和体积就越小,而能量密度却越高,与其他电池的原理相反。

据报道,该电池已于2013年被授权实用新型专利,2014年发明专利也已进入实审期。将来实现产业化后,第一代电动车可续航500 km,第二代则可实现1 000 km。

3 结语

目前,我国正加大对新能源汽车用新型动力电池的开发力度,并对购买电动汽车实行一定的优惠政策,这非常有利于我国新能源汽车的发展。为了促进我国电动汽产业的发展,可借鉴国外的成功经验,以整车厂为主导,与电池、汽车配件及主要纤维材料生产商等进行紧密协作。

参考文献(略)

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2020年北京私家电动汽车将基本“一车一桩”
除了核心技术的缺失,成本控制也是自主品牌实现轻量化的一大难点
北汽电动汽车登陆上海