تبحث هذه المقالة في التطبيقات الحالية والتقدم البحثي لمركبات ألياف الكربون في تخزين الهيدروجين ومرفقات البطاريات لمركبات الطاقة الجديدة. يناقش اتجاهات تصنيف وتطوير أسطوانات الغاز عالية الضغط ومرفقات حزمة البطاريات، ويحلل مزايا وعيوب مركبات ألياف الكربون، ويتوقع التطبيقات والآفاق المستقبلية لمركبات الألياف عالية الأداء في مجال مركبات الطاقة الجديدة.

نظرة عامة على مركبات ألياف الكربون

أصبح استخدام مواد خفيفة الوزن لتقليل وزن السيارة وسيلة حاسمة لتحقيق الوزن الخفيف لمركبات الطاقة الجديدة. مع التطور المستمر في علم المواد، بدأ استخدام مختلف مركبات الألياف خفيفة الوزن، مثل المركبات المقواة بالألياف الزجاجية والمركبات المقواة بألياف الكربون، في مجال مركبات الطاقة الجديدة.

تعتبر مركبات ألياف الكربون، المعروفة بكثافتها المنخفضة وقوتها العالية ومقاومتها للتآكل ومقاومة التعب، من مركبات الألياف عالية الأداء الأكثر استخدامًا على نطاق واسع في قطاع السيارات. يتم استخدامها على نطاق واسع في أنظمة السيارات المختلفة، مثل الأبواب والأسقف في جسم السيارة، وأذرع الدفع والهزازات في نظام المحرك، وأعمدة القيادة وشفرات القابض في نظام النقل، ومكونات الهيكل مثل الإطارات السفلية وأجزاء التعليق.

مع التطور السريع لمركبات الطاقة الجديدة، أصبح التخزين الآمن لطاقتها الكهربائية محورًا رئيسيًا للبحث. تعد أسطوانات الغاز عالية الضغط لمركبات الطاقة الهيدروجينية ومرفقات البطاريات الخاصة بالمركبات الكهربائية من طرق تخزين الطاقة الرئيسية حاليًا. وقد بدأت مركبات ألياف الكربون، بمزاياها العديدة، تكتسب أهمية كبيرة في هذا المجال.

مقدمة لألياف الكربون

تُستخدم ألياف الكربون عمومًا كمواد تقوية، جنبًا إلى جنب مع مصفوفات الراتنج أو المعدن أو السيراميك لتشكيل مركبات ألياف الكربون. يوضح الشكل 1 أمثلة على أقمشة ألياف الكربون والمقاطع المركبة من ألياف الكربون.

تتمتع ألياف الكربون بالمزايا التالية:

1. كثافة منخفضة وقوة عالية: مع كثافة تبلغ 1.5 ~ 2.0 جم / سم٪ u00b3 فقط، فهي حوالي نصف كثافة سبائك الألومنيوم خفيفة الوزن، ولكنها أقوى بـ 4-5 مرات من الفولاذ وأقوى بـ 6-7 مرات من الألومنيوم.

2. مقاومة درجات الحرارة العالية ودرجات الحرارة المنخفضة: لا تذوب ألياف الكربون أو تلين في الأجواء غير المؤكسدة عند درجة حرارة 3000°C ولا تصبح هشة عند درجات حرارة النيتروجين السائل.

3. الموصلية الكهربائية الجيدة: عند 25°C، تتمتع ألياف الكربون ذات المعامل العالي بمقاومة محددة تبلغ 775Ω·سم، بينما تتمتع ألياف الكربون عالية القوة بمقاومة محددة تبلغ 1500Ω·سم.

4. مقاومة التآكل الحمضي: تقاوم ألياف الكربون التآكل الناتج عن حمض الهيدروكلوريك المركز وحمض الفوسفوريك وحمض الكبريتيك.

استناداً إلى أنواع السلائف، والخواص الميكانيكية، وأحجام حزمة الخيوط، يمكن تصنيف ألياف الكربون إلى عدة أنواع، كما هو موضح في الجدول 1.

يتم تصنيف ألياف الكربون عادة حسب خواصها الميكانيكية، وخاصة قوة الشد ومعاملها. الأنواع عالية القوة لها قوة 2000 جيجا باسكال ومعامل 250 جيجا باسكال، في حين أن الأنواع ذات المعامل العالي تتجاوز 300 جيجا باسكال. الأنواع ذات القوة الفائقة لها قوة أكبر من 4000 ميجا باسكال، والأنواع ذات المعامل فائق القوة لها معامل أكبر من 450 جيجا باسكال.

التطبيقات الحالية لمركبات ألياف الكربون في مجال السيارات

مع تزايد الطلب على الطاقة الخضراء والكفاءة، يستمر مستوى الوزن الخفيف للسيارات في الارتفاع. وفقًا لبيانات جمعية الألومنيوم الأوروبية، فإن تقليل وزن السيارة بنسبة 10% يمكن أن يحسن كفاءة الطاقة بنسبة 6% إلى 8% ويقلل انبعاثات الملوثات بنسبة 10% لكل 100 كيلومتر. بالنسبة لمركبات الطاقة الجديدة، فإن تقليل الوزن بمقدار 100 كجم يمكن أن يزيد مداها بحوالي 6% إلى 11%.

تتمتع مركبات ألياف الكربون خفيفة الوزن وعالية القوة بمجموعة واسعة من التطبيقات في السيارات. يسرد الجدول 2 بعض نماذج المركبات التي تستخدم مركبات ألياف الكربون، ويبين الشكل 2 حجم السوق وتوقعات سوق ألياف الكربون العالمية للسيارات، والتي من المتوقع أن تصل إلى 20100 طن بحلول عام 2025.

تطبيقات مركبات ألياف الكربون في تخزين الهيدروجين

نظرًا لقوتها العالية، ومقاومتها للتآكل، ومقاومة التعب، وتثبيط اللهب الجيد، واستقرار الأبعاد، تعد مركبات ألياف الكربون مواد مثالية لتخزين الهيدروجين في مركبات الطاقة الجديدة ومرفقات البطاريات خفيفة الوزن.

صهاريج تخزين الهيدروجين ذات الضغط العالي

تعتبر أسطوانات الغاز ذات الضغط العالي الطريقة المعتمدة على نطاق واسع لتخزين الهيدروجين من قبل الشركات المصنعة المحلية والدولية. اعتمادًا على المواد، يتم تصنيف صهاريج تخزين الهيدروجين عالي الضغط إلى النوع الأول والثاني والثالث والرابع، وهي مصنوعة من الفولاذ النقي، وبطانات فولاذية مغلفة بالألياف، وبطانات معدنية مغلفة بالألياف، وبطانات بلاستيكية مغلفة بالألياف، على التوالي. كما هو مبين في الشكل 3.

يقارن الجدول 3 أداء الأنواع المختلفة من صهاريج تخزين الهيدروجين. يمكن تقسيم تخزين الهيدروجين عالي الضغط إلى مخزن ثابت عالي الضغط، ومخزن عالي الضغط خفيف الوزن مثبت على مركبة، ومخزن نقل عالي الضغط. تُستخدم صهاريج تخزين الضغط العالي الثابتة، عادةً خزانات الهيدروجين الفولاذية وأوعية الضغط الفولاذية، بشكل أساسي في محطات التزود بالوقود الهيدروجيني، مما يوفر تكلفة منخفضة وتطويرًا ناضجًا.

تستخدم صهاريج التخزين عالية الضغط خفيفة الوزن والمثبتة على المركبات في المقام الأول سبائك الألومنيوم أو البطانات البلاستيكية المغلفة بألياف الكربون لتعزيز القوة الهيكلية وتقليل الوزن الإجمالي. على المستوى الدولي، تُستخدم خزانات النوع الرابع المغلفة بألياف الكربون 70 ميجا باسكال على نطاق واسع في مركبات خلايا وقود الهيدروجين، بينما محليًا، تعد خزانات النوع الثالث المغلفة بألياف الكربون 35 ميجا باسكال أكثر شيوعًا، مع تطبيقات أقل لخزانات النوع الثالث المغلفة بألياف الكربون 70 ميجا باسكال.

مركبات ألياف الكربون في صهاريج تخزين الهيدروجين عالية الضغط المثبتة على المركبات

تعتبر الخزانات من النوعين ثالثا و رابعا هي السائدة لتخزين الهيدروجين عالي الضغط المثبت على المركبات، وتتكون بشكل أساسي من بطانات وطبقات مغلفة بالألياف. يوضح الشكل 4 مقطعًا عرضيًا لخزان تخزين الهيدروجين عالي الضغط من النوع الرابع من ألياف الكربون. تعمل مركبات الألياف، الملفوفة بشكل حلزوني وملتف حول البطانة، على زيادة القوة الهيكلية للبطانة في المقام الأول.

حاليًا، تشمل الألياف الشائعة المستخدمة في صهاريج تخزين الهيدروجين عالي الضغط المثبتة على المركبات ألياف الكربون، والألياف الزجاجية، وألياف كربيد السيليكون، وألياف أكسيد الألومنيوم، وألياف الأراميد، وألياف البولي فينيلين بنزوبيوكسازول. ومن بين هذه المواد، أصبحت ألياف الكربون تدريجيًا مادة الألياف السائدة نظرًا لخصائصها الممتازة.

محليًا، يتخلف تطوير صهاريج تخزين الهيدروجين عالية الضغط عن التطورات الدولية. حققت الولايات المتحدة وكندا واليابان إنتاجًا ضخمًا لخزانات تخزين الهيدروجين بسعة 70 ميجا باسكال وبدأت في استخدام خزانات النوع الرابع. تعمل الشركات الأمريكية مثل جنرال موتورز على تحسين هيكل الطبقات المغلفة بألياف الكربون، في حين تعمل شركة داينتيك الكندية على تحسين طبقات اللف والانتقال، مما يعزز القوة المركبة لألياف الكربون بمصفوفات الراتنج. ومع ذلك، نظرًا لقضايا مثل الختم البلاستيكي والمعدني، فإن اللوائح الصينية حاليًا لا تسمح باستخدامها على نطاق واسع.

نجحت مؤسسات محلية مثل جامعة تشجيانغ وجامعة تونغجي في تطوير صهاريج تخزين الهيدروجين بقدرة 70 ميجا باسكال، كما اخترقت شركات مثل بلو سكاي إنيرجي التابعة لشركة بوهونج للطاقة نظام تخزين الهيدروجين للمركبات بقدرة 70 ميجا باسكال. بالإضافة إلى ذلك، قامت شركات مثل شنيانغ زرزور و بكين كيتايكي و بكين تيانهاي أيضًا بتطوير واختبار صهاريج تخزين الهيدروجين بسعة 70 ميجا باسكال.

نظرًا للتكنولوجيا غير الناضجة وصعوبة الإنتاج الضخم للدبابات من النوع الرابع المغلفة بألياف الكربون بقوة 70 ميجا باسكال محليًا، فإن تكاليف الإعداد المرتفعة تمنع بشكل كبير الطلب على الدبابات من النوع الرابع وتطويرها. وفقا لبحث أجراه مجلس أبحاث السيارات الأمريكي، كلما زاد حجم إنتاج صهاريج تخزين الهيدروجين عالي الضغط، انخفضت التكاليف. عندما يزيد حجم الإنتاج من 10,000 إلى 500,000 مجموعة، يمكن أن تنخفض التكاليف بنسبة الخمس. لذلك، مع تقدم تكنولوجيا التحضير وتوسيع نطاق الإنتاج، لا بد أن تتألق صهاريج تخزين الهيدروجين عالي الضغط والمغلفة بألياف الكربون والمثبتة على المركبات في المستقبل.

تطبيقات مركبات ألياف الكربون في حاويات البطاريات

تطوير حاويات حزمة البطارية

لقد كان استقرار وسلامة بطاريات الطاقة الجديدة دائمًا من النقاط المحورية المثيرة للقلق. تُعد حاويات البطاريات مكونات رئيسية لنظام بطاريات مركبات الطاقة الجديدة، وترتبط ارتباطًا وثيقًا بالنظام الكهربائي وسلامة المركبات. تشكل حزمة بطارية الطاقة، المغطاة بالغلاف، الجسم الرئيسي لحزمة البطارية.

يلعب غلاف حزمة البطارية دورًا حاسمًا في التشغيل الآمن وحماية وحدات البطارية، مما يتطلب مواد ذات مقاومة للتآكل، والعزل، ومقاومة التأثيرات العادية ودرجات الحرارة المنخفضة (-25°C)، ومثبطات اللهب. يوضح الشكل 5 حزمة بطارية طاقة مركبة الطاقة الجديدة وتحللها.

بصفته حاملًا لوحدات البطارية، يضمن غلاف حزمة البطارية التشغيل المستقر وحماية السلامة لوحدات البطارية، والتي يتم تركيبها عمومًا في الجزء السفلي من السيارة لحماية بطاريات الليثيوم من التلف الناتج عن الاصطدامات والضغطات الخارجية. يتم تصنيع حاويات بطاريات المركبات التقليدية من مواد مثل ألواح الصلب وسبائك الألومنيوم، مع طلاء السطح للحماية. مع تطور المركبات الموفرة للطاقة وخفيفة الوزن، شهدت مواد أغلفة البطاريات بدائل خفيفة الوزن مثل المركبات المقواة بالألياف الزجاجية، ومركبات تشكيل الصفائح، والمركبات المقواة بألياف الكربون.

حاويات البطاريات الفولاذية هي المواد الأصلية المستخدمة في مجموعات بطاريات الطاقة، وعادة ما تكون مصنوعة من ألواح فولاذية ملحومة، مما يوفر قوة وصلابة عالية ولكن أيضًا كثافة وكتلة عالية، مما يتطلب عمليات حماية إضافية من التآكل. تُعد حاويات سبائك الألومنيوم المادة الرئيسية لحزم بطاريات الطاقة، حيث توفر الوزن الخفيف (35% فقط من كثافة الفولاذ)، وسهولة المعالجة والتشكيل، ومقاومة التآكل.

مع تطور المركبات خفيفة الوزن والتقدم في تقنيات صب البلاستيك بالحرارة، يتم استخدام المواد البلاستيكية والمواد المركبة الجديدة تدريجيًا كمواد لحزمة البطاريات. تزن عبوات البطاريات البلاستيكية المتصلدة بالحرارة 35 كجم، أي أخف بنسبة 35% تقريبًا من العبوات المعدنية، ويمكن أن تحمل 340 كجم من البطاريات.

آفاق مركبات ألياف الكربون في حاويات حزمة البطارية

أصبحت مركبات ألياف الكربون، بمزاياها العديدة، بدائل مثالية لحاويات البطاريات المعدنية التقليدية وشهدت بالفعل تطبيقات أولية في بعض نماذج المركبات. على سبيل المثال، قامت شركة نيو، بالتعاون مع شركة SGL كربون الألمانية، بتطوير حزمة بطارية من ألياف الكربون بقدرة 84 كيلووات في الساعة، مما أدى إلى تقليل وزن الهيكل بنسبة 40% مقارنة بهياكل الألومنيوم، مع كثافة طاقة تتجاوز 180 (W·h)/كجم. قام معهد تيانجين للتكنولوجيا المتقدمة وLishen بشكل مشترك بتطوير حاوية بطارية مركبة من ألياف الكربون تزن حوالي 24 كجم، مما يقلل الوزن بنسبة 50% مقارنة بهياكل سبائك الألومنيوم، مع كثافة طاقة تصل إلى 210 (W·h)/كجم.

باحثون مثل دوان دوانشيانغ وآخرون. لقد أجرت تصميمات خفيفة الوزن وتحسينات عملية الطبقات لحاويات البطاريات المركبة من ألياف الكربون، مما أدى إلى تقليل وزن العلبة بنسبة 66% مقارنة بالهياكل الفولاذية مع تلبية ظروف العمل ذات الصلة. تشاو شياو يو وآخرون. استخدمت مركبات ألياف الكربون وطريقة التصميم المكافئة للصلابة لحاويات البطاريات خفيفة الوزن، مما أدى إلى تقليل الوزن بنسبة 64% إلى 67.6% مقارنة بالهياكل الفولاذية.

ليو وآخرون. معالجة مشكلة التصميم خفيف الوزن للأغطية العلوية لحزمة البطاريات المركبة من ألياف الكربون باستخدام طريقة ربدو، مما أدى إلى تقليل الوزن بنسبة 22.14% مع تلبية متطلبات الأداء. تان ليزونج وآخرون. مقارنة ثلاثة حلول: غطاء علوي من الألومنيوم بسمك 1.5 مم (المخطط 1)، وغطاء علوي من ألياف الكربون بسمك 1.5 مم (المخطط 2)، وألياف كربون بسمك 0.5 مم لوح قرص العسل بسمك 3 مم غطاء علوي مركب من ألياف الكربون بسمك 0.5 مم (المخطط 3). ووجدوا أن النظام 3 كان الأمثل، حيث قلل الوزن بنسبة 31% مقارنة بالنظام 1.

الخزانات المغلفة بالألياف المعدنية (النوع الثالث) والخزانات المغلفة بالألياف البلاستيكية (النوع الرابع) هي أسطوانات الغاز المغلفة بالألياف المركبة السائدة. تم استخدام الألياف مثل الألياف الزجاجية، وألياف كربيد السيليكون، وألياف أكسيد الألومنيوم، وألياف البورون، وألياف الكربون، وألياف الأراميد، وألياف بولي (ب-فينيلين بنزوبيوكسازول) لتصنيع أسطوانات الغاز المغلفة بالألياف. ومن المتوقع أيضًا أن تصبح مركبات الألياف خفيفة الوزن والمقاومة للصدمات والمثبطة للهب مواد مهمة لحاويات البطاريات خفيفة الوزن في المستقبل.

ومع ذلك، نظرًا لقيود التكلفة، لم يتم تطبيق مركبات الألياف عالية الأداء التي تهيمن عليها مركبات ألياف الكربون على نطاق واسع في حاويات البطاريات. ويعتقد أنه مع تطور الطاقة الجديدة والتوسع في تطبيقات الألياف المركبة، فإن تكلفة استخدام مركبات الألياف ستنخفض تدريجياً. من المتوقع أن تتألق مركبات الألياف في سوق الطاقة الجديدة في المستقبل.