通过深入探讨碳纤维复合材料在新能源汽车氢能储存及电池包壳体中的应用现状与研究进展，我们分析了高压储气瓶及电池包壳体的分类与未来发展趋势。同时，也详细剖析了当前碳纤维复合材料应用的优劣势，并展望了高性能纤维复合材料在新能源汽车领域的广阔应用前景。
实现新能源汽车的轻量化是当前汽车工业的重要课题，而采用轻质材料则是关键途径之一。随着材料科学的不断进步，玻璃纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料等轻量化材料已逐渐成为新能源汽车领域的优选。其中，碳纤维复合材料以其低密度、高强度、耐腐蚀和耐疲劳等优异性能，在汽车多个系统部件中得到了广泛应用，例如车体结构、发动机系统组件以及底盘系统部件等。
随着新能源汽车的迅猛发展，其动力能量的安全储存成为了研究的焦点。氢能源汽车的高压储气瓶与电动汽车的电池包壳体成为了主流的能量储存方式，而碳纤维复合材料凭借其独特优势，也开始在这一领域大放异彩。
1. 碳纤维简介
碳纤维，这种高性能纤维，通常不会单独使用，而是作为增强体，与树脂、金属或陶瓷等基体相结合，形成碳纤维复合材料。这些复合材料在许多领域都展现出卓越的性能。图1展示了碳纤维布及碳纤维复合材料型材的实物形态。碳纤维的突出优点包括其低密度和高强度特性，密度范围仅在1.5~2.0 g/cm³之间。
2. 碳纤维的密度大约是轻质铝合金的一半，但其强度却高达钢的4至5倍，铝的6至7倍。
② 碳纤维还展现出卓越的耐温性能，无论是在高温还是低温环境下都能保持稳定。在3000℃的非氧化环境中，它既不融化也不软化；而在液氨的低温环境下，它同样不会变得脆硬。
③ 碳纤维还具备良好的导电性。在25℃时，高模量碳纤维的比电阻为775Ω·cm，而高强度碳纤维的比电阻则达到1500Ω·cm。
④ 此外，碳纤维还具有出色的耐酸腐蚀性，能够抵御浓盐酸、磷酸、硫酸等强酸的侵蚀。
根据原丝类型、力学特性以及丝束尺寸，碳纤维可进一步细分为多个类别，详情可见表1。
碳纤维，这一常用的增强材料，在实际应用中通常依据其力学性能进行分类。这类分类主要参考两个关键指标：拉伸强度与模量，以区分出不同强度类型的碳纤维。其中，高强型碳纤维的强度可达到2。
高强型碳纤维的拉伸强度可达到2.0MPa，同时其模量也高达250GPa。而高模型碳纤维的模量则更上一层楼，达到了300GPa以上。至于超高强型碳纤维，其强度更是超越了4000MPa，同时，超高模型的模量也大幅攀升至450GPa以上。
3. 碳纤维复合材料在汽车领域的应用现状
随着绿色节能理念的深入人心，汽车轻量化已成为行业发展的必然趋势。据欧洲铝协统计，汽车减重10%能带来能源使用效率的提升，同时也能显著降低百公里排放的污染物。对于新能源汽车而言，车身每减轻100kg，其续航能力就能增加6%~11%。而碳纤维复合材料，以其轻质高强的特性，在汽车制造中占据了不可或缺的地位。表2展示了部分车型中碳纤维复合材料的应用情况，而图2则来自中泰证券研究所的统计数据，显示了全球汽车碳纤维市场规模的持续增长，预计到2025年将达到2.01万吨。
4. 碳纤维复合材料在氢能储存领域的应用
碳纤维复合材料凭借其出色的物理性能，如高强度、耐腐蚀、耐疲劳以及良好的阻燃性和结构尺寸稳定性，已成为新能源汽车氢气储存及轻质动力电池包壳体设计的理想替代材料。
5.1 高压储氢瓶的应用场景
目前，高压储氢瓶已成为国内外厂商广泛采用的氢气储存技术。这些储氢瓶根据材质差异，可分为I型、II型、III型和IV型，分别采用纯钢、钢制内胆纤维缠绕、金属内胆纤维缠绕以及塑料内胆纤维缠绕瓶制作。这些高压储氢瓶在氢能储存领域发挥着至关重要的作用。
表3展示了不同类型储氢瓶的性能对比。高压储氢技术可细分为固定式、车载轻质以及运输用高压储氢。固定式高压储氢瓶，如钢制氢瓶和钢制压力容器，因其成本低廉且技术成熟，在加氢站中得到了广泛应用。车载轻质高压储氢瓶则采用铝合金或塑料内胆搭配碳纤维外层包覆，旨在增强结构强度并减轻整体质量。目前，国外氢燃料电池汽车已普遍采用70 MPa碳纤维缠绕IV型瓶，而国内则多选用35 MPa碳纤维缠绕III型瓶，70 MPa碳纤维缠绕III型瓶的应用相对较少。
6.2 碳纤维复合材料在车载高压储氢气瓶的应用
车载高压储氢气瓶中，Ⅲ型和Ⅳ型瓶是主流选择，它们主要由内胆和纤维缠绕层构成。图4展示了碳纤维复合材料IV型高压储氢瓶的剖视图。为了增强内胆的结构强度，纤维复合材料以螺旋和环箍的方式紧密缠绕在内胆外围。
当前，车载高压储氢气瓶中常用的纤维材料包括碳纤维、玻璃纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、芳纶以及聚对苯撑苯并二噁唑纤维等。然而，碳纤维凭借其卓越性能，已逐渐成为这些纤维中的佼佼者，被广泛用作主流纤维原料。
目前在车载高压储氢气瓶领域，国内与国外的技术水平仍存在一定的差距。美国、加拿大、日本等国家已实现70MPa储氢瓶的量产，并广泛采用Ⅳ型储氢瓶。美国通用汽车公司通过优化碳纤维缠绕层结构，而加拿大Dynetek公司则着重于改进缠绕层和过渡层的设计，从而增强了碳纤维与树脂基体的复合强度。然而，由于塑料与金属密封等技术难题，中国目前尚未允许这类储氢瓶的广泛推广使用。
尽管如此，国内浙江大学、同济大学等科研机构已成功研发出70MPa储氢气瓶，而博肯节能旗下的兰天达更是突破了70MPa车用储氢系统的技术瓶颈。此外，沈阳斯达林公司、北京科泰克以及北京天海等企业也纷纷加入到70MPa储氢气瓶的研发与试验中。
当前，国内70MPa碳纤维缠绕IV型瓶的制备技术尚不成熟，规模化生产面临诸多挑战，导致制备成本相对较高，从而抑制了IV型瓶的市场需求和发展。然而，根据美国汽车研究理事会的研究发现，随着生产规模的扩大，高压储氢瓶的成本将呈下降趋势。当生产规模从1万套提升到50万套时，成本可降低五分之一。因此，随着制备技术的不断进步及生产规模的逐步扩大，高级别碳纤维缠绕车载高压储氢气瓶有望在未来市场中占据重要地位。
7碳纤维复合材料在电池包壳体的应用
8.1电池包壳体的发展
新能源动力电池的稳定性和安全性是新能源汽车领域的核心关注点。电池包壳体，作为电池系统的重要组成部分，不仅与电气系统和汽车安全紧密相连，更是新能源汽车不可或缺的关键部件。动力电池包，作为新能源汽车的动力源泉，其主体结构由壳体包覆的电池模块构成。
电池包壳体在保障电池模块安全运行和有效防护方面扮演着至关重要的角色，因此，其材料选择需兼顾防腐蚀、绝缘性能，同时还要能耐受常温和低温（-25℃）的冲击，以及具备阻燃等特点。图5展示了新能源车动力电池包及其分解图。
电池包壳体，作为电池模块的承载体，其稳定性和安全性对电池模块至关重要。它通常被安装在车体下部，旨在保护锂电池在遭受外界碰撞或挤压时能够完好无损。过去，传统车用电池箱体多采用钢板或铝合金等材料，并需进行表面喷涂处理以增强其耐用性。然而，随着汽车行业向节能环保和轻量化转型，电池壳体材料也日益多样化，包括玻璃纤维增强复合材料、片状模塑料以及碳纤增强复合材料等。
钢制电池包壳体，作为最早的材料选择，通常通过铸造钢板焊接而成，以其高强度和刚性受到青睐。但缺点是密度大、质量重，且需要额外的防腐蚀措施。铝合金壳体则成为当前主流，凭借其轻质（仅为钢的35%）、易加工和耐腐蚀等特性受到广泛欢迎。
此外，随着汽车轻量化趋势的推进以及热固性塑料成型技术的进步，新型塑料及复合材料正逐渐被应用于电池包壳体。例如，热固性塑料电池包壳体仅重35kg，相较于金属箱体轻35%，同时还能承载340kg的电池。
9.2 电池包壳体的发展
碳纤维复合材料，以其卓越的性能，正逐渐成为传统金属电池箱体的替代品。这一材料已在某些车型的电池包壳体上得到了应用，展现了其巨大的潜力。例如，蔚来汽车与德国SGL Carbon公司合作开发的84kW·h碳纤维电池包，其壳体质量相较于铝结构减轻了40%，同时能量密度也大幅提升，达到了180 (W·h)/kg以上。另一项合作成果，即天津中科先进技术研究院与力神电池共同研发的碳纤维复合材料电池包壳体，其总质量约为24kg，相较于铝合金结构减轻了50%，并且能量密度高达210 (W·h)/kg。
在轻量化设计方面，段端详等研究人员对碳纤维复合材料电池包壳体进行了深入研究，通过优化铺层工艺，成功将壳体质量在满足相关工况的条件下减少了66%。赵晓昱等则采用刚度等效设计法，进一步将碳纤维复合材料电池包壳体的质量减轻了64%～67.6%。
此外，LIU等学者运用RBDO方法对碳纤维复合材料电池包壳体上盖进行了轻量化设计，实现了在性能不降低的情况下，质量减轻22.14%的目标。谭礼忠等则对比了1.5mm厚度铝上盖、1.5mm厚碳纤维上盖以及0.5mm碳纤维+3mm厚蜂板+0.5mm厚碳纤维复合上盖三种方案，发现后者为最优选择，相较于前者可减轻31%的质量。这些研究均表明，碳纤维复合材料在电池包壳体领域的应用具有显著的优势和广阔的前景。
10. 结语
在纤维复合材料缠绕制造领域，金属内胆纤维缠绕瓶（III型）和塑料内胆纤维缠绕瓶（IV型）已成为主流气瓶。众多纤维，如玻璃纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、硼纤维、碳纤维、芳纶以及聚对苯撑苯并二噁唑纤维，均已被广泛应用于制造这类气瓶。这些耐冲击、阻燃且轻质的纤维复合材料，无疑将成为未来轻质动力电池包壳体的重要候选材料。
尽管目前高性能纤维复合材料，尤其是碳纤维复合材料，在电池包壳体领域的应用仍受限于成本，但随着新能源产业的蓬勃发展与纤维复合材料应用的日益广泛，其使用成本将逐渐降低，纤维复合材料在新能源市场上的应用前景将愈发广阔。
