Abstrait:

Cet article étudie le statu quo et les développements de la recherche sur les matériaux renforcés de fibres de carbone dans le stockage de l'hydrogène et les boîtiers de batteries de véhicules électriques dans le domaine des véhicules à énergies nouvelles. Il évalue les classifications et les tendances des bouteilles de gaz à haute pression et des boîtiers de batterie, examine les avantages et les inconvénients des matériaux en fibre de carbone dans leurs utilisations actuelles, et prévoit les applications et les perspectives de ces matériaux avancés dans le futur paysage des véhicules à énergies nouvelles.

L’évolution vers des matériaux légers pour réduire le poids total est devenue une stratégie clé pour faire progresser l’allègement des véhicules à énergies nouvelles. Les progrès de la science des matériaux ont conduit à l’adoption de divers composites de fibres légères, notamment des matériaux renforcés de fibres de verre et de carbone, dans l’industrie automobile des nouvelles énergies.

Les composites de fibres de carbone, réputés pour leur faible densité, leur haute résistance, leur résistance à la corrosion et leur endurance à la fatigue, font partie des composites de fibres hautes performances les plus largement utilisés dans le secteur automobile. Leurs applications couvrent plusieurs systèmes du véhicule, notamment la carrosserie, le moteur, la transmission et le châssis, améliorant ainsi les performances et la sécurité du véhicule.

01 Aperçu de la fibre de carbone

Les fibres de carbone ne sont généralement pas utilisées directement mais comme renfort, combinées à des matrices de résine, de métal ou de céramique pour former des composites de fibres de carbone. Ces fibres offrent des avantages significatifs : (1) faible densité et haute résistance, avec une densité de seulement 1,5~2,0 g/cm³, la moitié de celui des alliages légers d'aluminium, et 4~5fois la résistance de l'acier et 6 à 7 fois celle de l'aluminium ; (2) résistance aux températures élevées et basses, maintien de l'intégrité dans des atmosphères non oxydantes jusqu'à 3 000 °C et ne devenant pas cassant aux températures de l'ammoniac liquide ; (3) une excellente conductivité électrique, avec une résistivité de 775 Ω.cm pour les fibres de carbone à haut module et de 1 500 Ω.cm pour les fibres à haute résistance à 25°C ; (4) résistance à la corrosion acide, résistant à l'acide chlorhydrique concentré, à l'acide phosphorique, à l'acide sulfurique, etc.

Les fibres de carbone peuvent être classées en fonction du type de précurseur, des propriétés mécaniques et de la taille du faisceau de filaments. En pratique, la classification dépend souvent de la résistance à la traction et du module, les types à haute résistance ayant des résistances de 2 000 MPa et des modules de 250 GPa, les types à haut module dépassant 300 GPa en module, les types à ultra haute résistance dépassant 4 000 MPa en résistance, et types à module ultra élevé dépassant 450 GPa en module.

02 État d'application des composites en fibre de carbone dans le domaine automobile

La pression en faveur de l’énergie verte et des mesures d’économie d’énergie n’a cessé de relever la barre en matière d’allègement automobile. Selon l'Association européenne de l'aluminium, une réduction de 10 % du poids du véhicule peut entraîner une amélioration de 6 à 8 % de l'efficacité énergétique et une réduction de 10 % des émissions de polluants par centaine de kilomètres. Pour les véhicules à énergie nouvelle, une réduction du poids de 100 kg peut en conséquence augmenter leur autonomie d'environ 6 à 11 %.

Les composites en fibre de carbone, connus pour leur légèreté et leur haute résistance, ont trouvé de nombreuses applications dans les véhicules, améliorant leurs performances et leur sécurité dans divers systèmes, notamment la carrosserie, le moteur, la transmission et le châssis.

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

Grâce à leur haute résistance à la corrosion, à la fatigue, à leur caractère ignifuge et à leur stabilité dimensionnelle, les composites en fibre de carbone sont devenus des substituts idéaux au stockage de l'hydrogène dans les véhicules à énergies nouvelles et les boîtiers de batteries légers.

3.1 Scénarios d’application de bouteilles d’hydrogène à haute pression

L’utilisation de bouteilles de gaz à haute pression pour le stockage et la libération d’hydrogène est une méthode largement adoptée. Selon le matériau, ces cylindres sont classés en quatre types : entièrement en acier, revêtement en acier avec emballage en fibres, revêtement en métal avec emballage en fibres et revêtement en plastique avec emballage en fibres. Ces différentes structures et matériaux présentent différents coûts, niveaux de maturité et scénarios d'application.

Actuellement, les matériaux renforcés de fibres de carbone constituent le choix principal pour la fabrication de bouteilles de stockage d'hydrogène à haute pression pour véhicules, malgré les défis technologiques et de coût.

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

La stabilité et la sécurité des nouvelles batteries énergétiques ont toujours été des points centraux dans l’industrie. Les boîtiers de batterie, essentiels pour protéger les modules de batterie des impacts externes, doivent répondre aux exigences de résistance à la corrosion, d'isolation et de résilience à la température. Les boîtiers de batterie traditionnels sont généralement fabriqués à partir d’alliages d’acier ou d’aluminium. Cependant, avec les progrès technologiques, des matériaux légers comme les composites en fibre de carbone commencent à être utilisés, offrant de nouvelles possibilités pour le développement de véhicules à énergie nouvelle.

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Conclusion

Les bouteilles de gaz à haute pression avec des revêtements en métal et en plastique enveloppés de fibres constituent la norme dans la technologie de fabrication actuelle. La fibre de carbone, avec ses propriétés exceptionnelles, présente un grand potentiel dans la production de bouteilles de gaz haute pression et de boîtiers de batteries. Cependant, en raison de contraintes de coût, l’application généralisée de ces matériaux avancés dans les boîtiers de batteries n’a pas encore été réalisée. À mesure que les nouvelles technologies énergétiques évoluent et que le coût des applications des matériaux diminue, les composites en fibre de carbone sont sur le point de jouer un rôle important à l'avenir.