Cet article étudie les applications actuelles et les progrès de la recherche sur les composites en fibre de carbone dans le stockage de l'hydrogène et les boîtiers de batteries pour les véhicules à énergies nouvelles. Il discute de la classification et des tendances de développement des bouteilles de gaz haute pression et des boîtiers de batteries, analyse les avantages et les inconvénients des composites en fibre de carbone et anticipe les applications futures et les perspectives des composites en fibre haute performance dans le domaine des véhicules à énergie nouvelle.

Présentation des composites en fibre de carbone

L’utilisation de matériaux légers pour réduire le poids des véhicules est devenue une méthode cruciale pour alléger les véhicules utilisant de nouvelles énergies. Avec le développement continu de la science des matériaux, divers composites de fibres légères, tels que les composites renforcés de fibres de verre et les composites renforcés de fibres de carbone, ont commencé à être utilisés dans le domaine des véhicules à énergie nouvelle.

Les composites de fibres de carbone, connus pour leur faible densité, leur haute résistance, leur résistance à la corrosion et à la fatigue, sont les composites de fibres hautes performances les plus utilisés dans le secteur automobile. Ils sont largement utilisés dans divers systèmes automobiles, tels que les portes et les toits de la carrosserie, les tiges de poussée et les culbuteurs du système moteur, les arbres de transmission et les lames d'embrayage du système de transmission, ainsi que les composants du châssis tels que les cadres de soubassement et les pièces de suspension.

Avec le développement rapide des véhicules à énergie nouvelle, le stockage sûr de leur énergie électrique est devenu un axe de recherche clé. Les bouteilles de gaz à haute pression pour les véhicules à hydrogène et les boîtiers de batteries pour les véhicules électriques sont actuellement les principales méthodes de stockage d’énergie. Les composites en fibre de carbone, avec leurs nombreux avantages, commencent à prendre de l'importance dans ce domaine.

Introduction à la fibre de carbone

Les fibres de carbone sont généralement utilisées comme matériaux de renforcement, combinées à des matrices en résine, en métal ou en céramique pour former des composites de fibres de carbone. La figure 1 montre des exemples de tissus en fibre de carbone et de profilés composites en fibre de carbone.

Les fibres de carbone présentent les avantages suivants :

1. Faible densité et haute résistance : avec une densité de seulement 1,5 ~ 2,0 g/cm³, ils représentent environ la moitié de la densité des alliages d'aluminium légers, mais 4 à 5 fois plus résistants que l'acier et 6 à 7 fois plus résistants que l'aluminium.

2. Résistance aux hautes et basses températures : les fibres de carbone ne fondent pas et ne se ramollissent pas dans des atmosphères non oxydantes à 3 000 % u00b0 C et ne deviennent pas cassantes aux températures de l'azote liquide.

3. Bonne conductivité électrique : à 25°C, les fibres de carbone à haut module ont une résistance spécifique de 775Ω·cm, tandis que les fibres de carbone à haute résistance ont une résistance spécifique de 1500Ω·cm.

4. Résistance à la corrosion acide : les fibres de carbone résistent à la corrosion causée par l’acide chlorhydrique concentré, l’acide phosphorique et l’acide sulfurique.

En fonction des types de précurseurs, des propriétés mécaniques et de la taille des faisceaux de filaments, les fibres de carbone peuvent être classées en plusieurs types, comme le montre le tableau 1.

Les fibres de carbone sont généralement classées selon leurs propriétés mécaniques, principalement leur résistance à la traction et leur module. Les types à haute résistance ont une résistance de 2 000 MPa et un module de 250 GPa, tandis que les types à haut module dépassent 300 GPa. Les types à ultra haute résistance ont une résistance supérieure à 4 000 MPa et les types à ultra haut module ont un module supérieur à 450 GPa.

Applications actuelles des composites de fibre de carbone dans le domaine automobile

Avec la demande croissante d’énergie verte et d’efficacité, le niveau d’allègement automobile continue d’augmenter. Selon les données de l'Association européenne de l'aluminium, réduire le poids d'un véhicule de 10 % peut améliorer l'efficacité énergétique de 6 à 8 % et réduire les émissions polluantes de 10 % aux 100 kilomètres. Pour les véhicules à énergies nouvelles, une réduction de poids de 100 kg peut augmenter leur autonomie d'environ 6 à 11 %.

Les composites en fibre de carbone légers et à haute résistance ont un large éventail d'applications dans l'automobile. Le tableau 2 répertorie certains modèles de véhicules utilisant des composites de fibre de carbone, et la figure 2 montre la taille du marché et les prévisions du marché mondial de la fibre de carbone automobile, qui devrait atteindre 20 100 tonnes d'ici 2025.

Applications des composites de fibre de carbone dans le stockage de l'hydrogène

En raison de leur haute résistance, de leur résistance à la corrosion, de leur résistance à la fatigue, de leur bon caractère ignifuge et de leur stabilité dimensionnelle, les composites en fibre de carbone sont des matériaux idéaux pour le stockage de l'hydrogène dans les véhicules à énergies nouvelles et les boîtiers légers de batteries.

Réservoirs de stockage d'hydrogène haute pression

Les bouteilles de gaz à haute pression constituent la méthode largement adoptée pour le stockage de l’hydrogène par les fabricants nationaux et internationaux. Selon les matériaux, les réservoirs de stockage d'hydrogène à haute pression sont classés en types I, II, III et IV, fabriqués respectivement à partir d'acier pur, de revêtements en acier avec emballage en fibres, de revêtements métalliques avec emballage en fibres et de revêtements en plastique avec emballage en fibres. comme le montre la figure 3.

Le tableau 3 compare les performances de différents types de réservoirs de stockage d'hydrogène. Le stockage d’hydrogène à haute pression peut être divisé en stockage à haute pression fixe, stockage à haute pression léger monté sur véhicule et stockage à haute pression de transport. Les réservoirs de stockage fixes à haute pression, généralement des réservoirs d'hydrogène en acier et des récipients sous pression en acier, sont principalement utilisés dans les stations de ravitaillement en hydrogène, offrant un développement à faible coût et mature.

Les réservoirs de stockage haute pression légers montés sur véhicule utilisent principalement des revêtements en alliage d'aluminium ou en plastique recouverts de fibre de carbone pour améliorer la résistance structurelle et réduire le poids total. À l'échelle internationale, les réservoirs de type IV enveloppés de fibre de carbone de 70 MPa sont largement utilisés dans les véhicules à pile à combustible à hydrogène, tandis qu'au niveau national, les réservoirs de type III enveloppés de fibre de carbone de 35 MPa sont plus courants, avec moins d'applications pour les réservoirs de type III enveloppés de fibre de carbone de 70 MPa.

Composites en fibre de carbone dans les réservoirs de stockage d'hydrogène haute pression montés sur véhicules

Les réservoirs de types III et IV sont les plus répandus pour le stockage d'hydrogène à haute pression monté sur véhicule, constitués principalement de revêtements et de couches enveloppées de fibres. La figure 4 montre une coupe transversale d'un réservoir de stockage d'hydrogène haute pression de type IV en composite de fibre de carbone. Les composites de fibres, enroulés en hélice et en cercle autour du revêtement, augmentent principalement la résistance structurelle du revêtement.

Actuellement, les fibres courantes utilisées dans les réservoirs de stockage d'hydrogène à haute pression montés sur véhicules comprennent les fibres de carbone, les fibres de verre, les fibres de carbure de silicium, les fibres d'oxyde d'aluminium, les fibres d'aramide et les fibres de poly(p-phénylène benzobisoxazole). Parmi celles-ci, les fibres de carbone deviennent progressivement le matériau fibreux dominant en raison de leurs excellentes propriétés.

Au niveau national, le développement de réservoirs de stockage d’hydrogène à haute pression est en retard par rapport aux progrès internationaux. Les États-Unis, le Canada et le Japon ont réussi à produire en masse des réservoirs de stockage d’hydrogène de 70 MPa et ont commencé à utiliser des réservoirs de type IV. Des entreprises américaines comme General Motors améliorent la structure des couches enveloppées de fibres de carbone, tandis que la société canadienne Dynetek améliore les couches d'enroulement et de transition, renforçant ainsi la résistance composite des fibres de carbone avec des matrices de résine. Cependant, en raison de problèmes tels que l’étanchéité du plastique et du métal, la réglementation chinoise n’autorise actuellement pas leur utilisation généralisée.

Des institutions nationales comme l'Université du Zhejiang et l'Université de Tongji ont développé avec succès des réservoirs de stockage d'hydrogène de 70 MPa, et des entreprises comme Blue Sky Energy, sous la direction de Bohong Energy, ont percé le système de stockage d'hydrogène pour véhicules de 70 MPa. De plus, des sociétés comme Shenyang Starling, Beijing Ketaike et Beijing Tianhai ont également développé et testé des réservoirs de stockage d'hydrogène de 70 MPa.

En raison de la technologie immature et de la difficulté de produire en série des réservoirs de type IV enveloppés de fibre de carbone de 70 MPa au niveau national, les coûts de préparation élevés inhibent grandement la demande et le développement des réservoirs de type IV. Selon une étude menée par l’Automotive Research Council des États-Unis, plus l’échelle de production des réservoirs de stockage d’hydrogène à haute pression est grande, plus les coûts sont faibles. Lorsque l’échelle de production passe de 10 000 à 500 000 ensembles, les coûts peuvent diminuer d’un cinquième. Par conséquent, avec l’avancement de la technologie de préparation et l’expansion de l’échelle de production, les réservoirs de stockage d’hydrogène haute pression montés sur véhicule, enveloppés de fibre de carbone de haut niveau, sont voués à briller à l’avenir.

Applications des composites en fibre de carbone dans les boîtiers de batteries

Développement de boîtiers de batteries

La stabilité et la sécurité des nouvelles batteries énergétiques ont toujours été au centre des préoccupations. Les boîtiers de batteries sont des éléments clés du système de batteries des véhicules à énergie nouvelle, étroitement liés au système électrique et à la sécurité des véhicules. Le bloc batterie d'alimentation, recouvert par le boîtier, forme le corps principal du bloc batterie.

Le boîtier du bloc de batterie joue un rôle crucial dans le fonctionnement sûr et la protection des modules de batterie, nécessitant des matériaux résistant à la corrosion, isolants, résistants aux impacts normaux et à basse température (-25 % u00b0C) et ignifuges. La figure 5 montre un bloc de batterie d'alimentation pour véhicule à énergie nouvelle et sa décomposition.

En tant que support des modules de batterie, le boîtier du bloc de batterie assure le fonctionnement stable et la protection de sécurité des modules de batterie, généralement installés au bas du véhicule pour protéger les batteries au lithium des dommages dus aux collisions et compressions externes. Les boîtiers de batterie de véhicule traditionnels sont moulés à partir de matériaux tels que des plaques d'acier et des alliages d'aluminium, avec des revêtements de surface pour la protection. Avec le développement de véhicules légers et économes en énergie, les matériaux des boîtiers de batterie ont vu apparaître des alternatives légères telles que les composites renforcés de fibres de verre, les composés de moulage en feuilles et les composites renforcés de fibres de carbone.

Les boîtiers de batteries en acier sont les matériaux d'origine utilisés pour les batteries de puissance, généralement fabriqués à partir de plaques d'acier soudées, offrant une résistance et une rigidité élevées, mais également une densité et une masse élevées, nécessitant des processus de protection contre la corrosion supplémentaires. Les boîtiers en alliage d'aluminium sont le matériau principal pour les blocs-batteries de puissance, offrant légèreté (seulement 35 % de la densité de l'acier), facilité de traitement et de formage et résistance à la corrosion.

Avec le développement de véhicules légers et les progrès des technologies de moulage de plastiques thermodurcissables, de nouveaux plastiques et composites sont progressivement utilisés comme matériaux pour le boîtier des batteries. Les boîtiers de batteries en plastique thermodurcissable pèsent 35 kg, soit environ 35 % plus légers que les boîtiers métalliques, et peuvent transporter 340 kg de batteries.

Perspectives des composites en fibre de carbone dans les boîtiers de batteries

Les composites en fibre de carbone, avec leurs nombreux avantages, sont devenus des substituts idéaux aux boîtiers de batterie métalliques traditionnels et ont déjà vu des applications préliminaires dans certains modèles de véhicules. Par exemple, NIO, en collaboration avec l'allemand SGL Carbon, a développé une batterie en fibre de carbone de 84 kWh, réduisant le poids de la coque de 40 % par rapport aux structures en aluminium, avec une densité énergétique supérieure à 180 (W·h)/kg. L'Institut de technologie avancée de Tianjin et Lishen ont développé conjointement un boîtier de batterie composite en fibre de carbone pesant environ 24 kg, réduisant le poids de 50 % par rapport aux structures en alliage d'aluminium, avec une densité énergétique allant jusqu'à 210 (W·h)/kg.

Des chercheurs comme Duan Duanxiang et al. ont réalisé des conceptions légères et des optimisations du processus de pliage pour les boîtiers de batteries en composite de fibre de carbone, réduisant ainsi le poids du boîtier de 66 % par rapport aux structures en acier tout en répondant aux conditions de travail pertinentes. Zhao Xiaoyu et coll. a utilisé des composites de fibre de carbone et la méthode de conception équivalente à rigidité pour les boîtiers de batteries légers, obtenant une réduction de poids de 64 % à 67,6 % par rapport aux structures en acier.

LIU et coll. a résolu le problème de conception légère des couvercles supérieurs des blocs-batteries en composite de fibre de carbone à l'aide de la méthode RBDO, obtenant une réduction de poids de 22,14 % tout en répondant aux exigences de performances. Tan Lizhong et coll. comparé trois solutions : un capot supérieur en aluminium de 1,5 mm d'épaisseur (schéma 1), un capot supérieur en fibre de carbone de 1,5 mm d'épaisseur (schéma 2) et un capot supérieur en fibre de carbone de 0,5 mm panneau en nid d'abeille de 3 mm d'épaisseur capot supérieur en composite de fibre de carbone de 0,5 mm d'épaisseur (Schéma 3). Ils ont constaté que le schéma 3 était optimal, réduisant le poids de 31 % par rapport au schéma 1.

Les réservoirs enveloppés de fibres à revêtement métallique (Type III) et les réservoirs enveloppés de fibres à revêtement plastique (Type IV) sont les principales bouteilles de gaz enveloppées de fibres composites. Des fibres telles que la fibre de verre, la fibre de carbure de silicium, la fibre d'oxyde d'aluminium, la fibre de bore, la fibre de carbone, la fibre d'aramide et la fibre de poly(p-phénylène benzobisoxazole) ont été utilisées pour fabriquer des bouteilles de gaz enveloppées de fibres composites. Les composites de fibres légers, résistants aux chocs et ignifuges devraient également devenir des matériaux importants pour les futurs boîtiers de batteries légers.

Cependant, en raison de contraintes de coût, les composites de fibres hautes performances dominés par les composites de fibres de carbone n'ont pas été largement utilisés dans les boîtiers de batteries. On pense qu'avec le développement de nouvelles énergies et l'expansion des applications des composites de fibres, le coût d'utilisation des composites de fibres diminuera progressivement. Les composites à fibres sont appelés à briller sur le futur nouveau marché de l’énergie.