이 기사에서는 신에너지 차량용 수소 저장 및 배터리 팩 인클로저에 탄소 섬유 복합재의 현재 적용 및 연구 진행 상황을 조사합니다. 고압 가스 실린더 및 배터리 팩 인클로저의 분류 및 개발 동향을 논의하고, 탄소 섬유 복합재의 장점과 단점을 분석하며, 신에너지 자동차 분야에서 고성능 섬유 복합재의 향후 응용 및 전망을 예측합니다.

탄소 섬유 복합재 개요

경량 소재를 사용하여 차량 무게를 줄이는 것은 신에너지 차량의 경량화를 달성하는 중요한 방법이 되었습니다. 재료과학의 지속적인 발전으로 유리섬유 강화 복합재료, 탄소섬유 강화 복합재료 등 다양한 경량 섬유 복합재료가 신에너지 자동차 분야에 활용되기 시작했습니다.

저밀도, 고강도, 내식성, 내피로성으로 알려진 탄소섬유 복합재는 자동차 분야에서 가장 널리 사용되는 고성능 섬유 복합재입니다. 이는 차체의 도어 및 루프, 엔진 시스템의 푸시로드 및 로커, 변속기 시스템의 구동 샤프트 및 클러치 블레이드, 차체 하부 프레임 및 서스펜션 부품과 같은 섀시 구성 요소 등 다양한 자동차 시스템에 광범위하게 사용됩니다.

신에너지 차량의 급속한 개발로 인해 전력 에너지의 안전한 저장이 주요 연구 초점이 되었습니다. 현재 수소 에너지 자동차용 고압 가스 실린더와 전기 자동차용 배터리 팩 인클로저가 주요 에너지 저장 방법입니다. 수많은 장점을 지닌 탄소 섬유 복합재가 이 분야에서 주목을 받기 시작했습니다.

탄소섬유 소개

탄소 섬유는 일반적으로 강화 재료로 사용되며 수지, 금속 또는 세라믹 매트릭스와 결합하여 탄소 섬유 복합재를 형성합니다. 그림 1은 탄소섬유 직물과 탄소섬유 복합 프로파일의 예를 보여줍니다.

탄소 섬유는 다음과 같은 장점을 가지고 있습니다.

1. 저밀도 및 고강도: 밀도가 1.5~2.0g/센티미터³에 불과해 경량 알루미늄 합금 밀도의 약 절반이지만 강철보다 4~5배, 알루미늄보다 6~7배 더 강합니다.

2. 고온 및 저온 저항성: 탄소 섬유는 3000°C의 비산화 대기에서 녹거나 부드러워지지 않으며 액체 질소 온도에서도 부서지지 않습니다.

3. 우수한 전기 전도성: 25°C에서 고탄성 탄소 섬유는 775Ω·cm의 비저항을 갖는 반면, 고강도 탄소 섬유는 1500Ω·cm의 비저항을 갖습니다.

4. 내산성: 탄소 섬유는 농축 염산, 인산 및 황산의 부식에 저항합니다.

전구체 유형, 기계적 특성 및 필라멘트 다발 크기에 따라 탄소 섬유는 표 1과 같이 여러 유형으로 분류될 수 있습니다.

탄소 섬유는 일반적으로 기계적 특성, 주로 인장 강도 및 모듈러스에 따라 분류됩니다. 고강도 유형은 강도가 2000MPa이고 모듈러스가 250GPa인 반면, 고탄성 유형은 300GPa를 초과합니다. 초고강도 유형은 4000MPa 이상의 강도를 가지며, 초고강도 유형은 450GPa 이상의 탄성률을 갖습니다.

자동차 분야에서 탄소섬유 복합재의 현재 응용

친환경 에너지와 효율성에 대한 요구가 증가함에 따라 자동차 경량화 수준도 지속적으로 높아지고 있습니다. 유럽알루미늄협회(유럽 사람 알류미늄 협회)의 데이터에 따르면, 차량 중량을 10% 줄이면 에너지 효율은 6~8% 향상되고, 오염물질 배출량은 100km당 10% 감소할 수 있습니다. 신에너지 차량의 경우 무게를 100kg 줄이면 주행거리가 약 6~11% 증가할 수 있습니다.

경량 및 고강도 탄소섬유 복합재는 자동차 분야에서 폭넓게 응용됩니다. 표 2에는 탄소섬유복합재를 적용한 일부 차량 모델이 나열되어 있으며, 그림 2에는 세계 자동차 탄소섬유 시장 규모와 전망이 나와 있으며, 2025년까지 20,100톤에 이를 것으로 예상된다.

수소 저장에 탄소섬유 복합재를 적용하는 방법

높은 강도, 내식성, 피로 저항성, 우수한 난연성 및 치수 안정성으로 인해 탄소 섬유 복합재는 신에너지 차량 및 경량 배터리 팩 인클로저의 수소 저장에 이상적인 재료입니다.

고압 수소 저장 탱크

고압 가스 실린더는 국내외 제조업체에서 수소 저장을 위해 널리 채택하는 방법입니다. 고압수소저장탱크는 재질에 따라 순수강으로 제작한 유형 I, II, III, IV로 각각 분류되며, 각각 섬유를 감싸는 강철라이너, 섬유를 감싸는 금속라이너, 섬유를 감싸는 플라스틱 라이너로 구분되며, 그림 3과 같이.

표 3은 다양한 유형의 수소 저장 탱크의 성능을 비교합니다. 고압수소저장은 고정식 고압저장, 경량 차량 탑재형 고압저장, 수송용 고압저장으로 나눌 수 있다. 일반적으로 강철 수소 탱크 및 강철 압력 용기인 고정형 고압 저장 탱크는 수소 충전소에서 주로 사용되며 저비용 및 성숙한 개발을 제공합니다.

차량 탑재형 경량 고압 저장 탱크는 구조적 강도를 높이고 전체 중량을 줄이기 위해 주로 알루미늄 합금 또는 탄소 섬유 랩핑이 포함된 플라스틱 라이너를 사용합니다. 국제적으로는 70MPa 탄소 섬유로 감싼 유형 IV 탱크가 수소 연료 전지 차량에 널리 사용되는 반면, 국내에서는 35MPa 탄소 섬유로 감싼 유형 III 탱크가 더 일반적이며 70MPa 탄소 섬유로 감싼 유형 III 탱크에 대한 적용 사례는 적습니다.

차량 탑재형 고압 수소 저장 탱크의 탄소 섬유 복합재

유형 III 및 IV 탱크는 주로 라이너와 섬유로 감싼 층으로 구성된 차량 탑재 고압 수소 저장 장치의 주류입니다. 그림 4는 탄소섬유복합체 유형 IV 고압수소저장탱크의 단면을 나타낸 것이다. 라이너 주위에 나선형 및 고리 모양으로 감긴 섬유 복합재는 주로 라이너의 구조적 강도를 증가시킵니다.

현재 차량 탑재형 고압수소저장탱크에 사용되는 일반적인 섬유로는 탄소섬유, 유리섬유, 탄화규소 섬유, 산화알루미늄 섬유, 아라미드 섬유, 폴리(p-페닐렌 벤조비스옥사졸) 섬유 등이 있다. 이 중 탄소섬유는 우수한 특성으로 인해 점차 주류 섬유소재로 자리잡고 있다.

국내의 고압수소저장탱크 개발은 국제적인 발전에 뒤쳐져 있다. 미국, 캐나다, 일본은 70MPa 수소저장탱크의 양산을 달성하고 유형 IV 탱크를 사용하기 시작했습니다. 일반적인 Motors와 같은 미국 회사는 탄소 섬유로 감싼 층의 구조를 강화하는 반면 캐나다의 Dynetek은 와인딩 및 전환 층을 개선하여 수지 매트릭스와 탄소 섬유의 복합 강도를 향상시킵니다. 그러나 플라스틱 및 금속 밀봉과 같은 문제로 인해 현재 중국 규정에서는 광범위한 사용을 허용하지 않습니다.

절강대학교, 통지대학교 등 국내 기관은 70MPa 수소저장탱크 개발에 성공했고, 보홍에너지 산하 블루스카이에너지 같은 기업은 70MPa 차량용 수소저장 시스템을 돌파했다. 또한 선양 찌르레기, 베이징 케타이케 및 베이징 Tianhai와 같은 회사도 70MPa 수소 저장 탱크를 개발하고 테스트했습니다.

국내에서 70MPa 탄소섬유로 감싼 유형 IV 탱크의 기술이 미숙하고 양산이 어렵기 때문에 높은 준비 비용으로 인해 유형 IV 탱크의 수요와 개발이 크게 저해되고 있습니다. 미국 자동차연구회의 연구에 따르면 고압수소저장탱크의 생산 규모가 클수록 비용은 낮아지는 것으로 나타났다. 생산 규모를 10,000세트에서 500,000세트로 늘리면 비용이 5분의 1로 줄어들 수 있습니다. 따라서 제조 기술의 발전과 생산 규모의 확대에 따라 고급 탄소섬유로 감싼 차량 탑재형 고압수소저장탱크는 앞으로도 빛을 발할 것으로 보인다.

배터리 팩 인클로저에 탄소 섬유 복합재 적용

배터리 팩 인클로저 개발

신에너지 동력전지의 안정성과 안전성은 항상 관심의 초점이었습니다. 배터리 팩 인클로저는 전기 시스템 및 차량 안전과 밀접한 관련이 있는 신에너지 자동차 배터리 시스템의 핵심 구성 요소입니다. 인클로저로 덮인 전원 배터리 팩은 배터리 팩의 본체를 구성합니다.

배터리 팩 인클로저는 배터리 모듈의 안전한 작동과 보호에 중요한 역할을 하며, 내부식성, 절연성, 정상 및 저온 충격에 대한 저항성(-25°C) 및 난연성을 갖춘 재료가 필요합니다. 그림 5는 신에너지 차량용 전원 배터리 팩과 그 분해를 보여준다.

배터리 모듈의 캐리어인 배터리 팩 인클로저는 배터리 모듈의 안정적인 작동과 안전 보호를 보장하며, 일반적으로 차량 하단에 설치되어 외부 충돌 및 압축으로 인한 손상으로부터 리튬 배터리를 보호합니다. 기존 차량 배터리 인클로저는 강판 및 알루미늄 합금과 같은 재료로 주조되었으며 보호를 위해 표면 코팅이 되어 있습니다. 에너지 절약형 경량 차량의 개발로 인해 배터리 인클로저 소재는 유리 섬유 강화 복합재, 시트 몰딩 컴파운드, 탄소 섬유 강화 복합재와 같은 경량 대체재로 등장했습니다.

강철 배터리 팩 인클로저는 전원 배터리 팩에 사용되는 원래 재료로, 일반적으로 용접된 강철판으로 만들어져 강도와 강성이 높지만 밀도와 질량도 높아 추가적인 부식 방지 공정이 필요합니다. 알루미늄 합금 인클로저는 경량(강철 밀도의 35%에 불과), 손쉬운 가공 및 성형, 내식성을 제공하는 파워 배터리 팩의 주류 소재입니다.

경량 자동차의 개발과 열경화성 플라스틱 성형 기술의 발전으로 새로운 플라스틱 및 복합재가 점차 배터리 팩 외장 재료로 사용되고 있습니다. 열경화성 플라스틱 배터리 팩 인클로저의 무게는 35kg으로 금속 인클로저보다 약 35% 가벼우며 340kg의 배터리를 운반할 수 있습니다.

배터리 팩 인클로저에 사용되는 탄소 섬유 복합재의 전망

수많은 장점을 지닌 탄소 섬유 복합재는 기존 금속 배터리 인클로저를 대체하는 이상적인 소재가 되었으며 이미 일부 차량 모델에 예비 적용되었습니다. 예를 들어 NIO는 독일 SGL Carbon과 협력하여 84kWh 탄소 섬유 배터리 팩을 개발하여 알루미늄 구조에 비해 쉘 무게를 40% 줄였으며 에너지 밀도는 180(W·h)/kg을 초과했습니다. 천진 학회 ~의 고급의 Technology와 Lishen은 무게가 약 24kg인 탄소 섬유 복합 배터리 팩 인클로저를 공동 개발하여 알루미늄 합금 구조에 비해 무게를 50% 줄였으며 에너지 밀도는 최대 210(W·h)/kg입니다.

두안 두안샹 등의 연구자. 탄소 섬유 복합 배터리 팩 인클로저에 대한 경량 설계 및 플라이 프로세스 최적화를 수행하여 관련 작업 조건을 충족하면서 강철 구조에 비해 인클로저 무게를 66% 줄였습니다. 자오 샤오유 등 알. 경량 배터리 팩 인클로저에 탄소섬유 복합재와 강성 등가 설계 방식을 적용해 철구조물 대비 64~67.6%의 경량화를 달성했다.

리웨트 알. 탄소섬유 복합재 배터리 팩 상부 커버의 경량화 설계 문제를 RBDO 공법으로 해결해 성능 요구 사항을 충족하면서 22.14%의 무게 감소를 달성했습니다. 탠 껍질 리종겟 알. 세 가지 솔루션을 비교했습니다: 1.5mm 두께의 알루미늄 상부 커버(계획 1), 1.5mm 두께의 탄소 섬유 상부 커버(계획 2), 0.5mm 탄소 섬유 3mm 두께 허니컴 패널 0.5mm 두께의 탄소 섬유 복합 상부 커버 (도식 3). 그들은 계획 3이 최적이며, 계획 1에 비해 무게를 31% 줄인다는 것을 발견했습니다.

금속 라이너 섬유 포장 탱크(유형 III)와 플라스틱 라이너 섬유 포장 탱크(유형 IV)는 주류 섬유 복합재 포장 가스 실린더입니다. 유리 섬유, 탄화 규소 섬유, 산화 알루미늄 섬유, 붕소 섬유, 탄소 섬유, 아라미드 섬유 및 폴리(p-페닐렌 벤조비스옥사졸) 섬유와 같은 섬유는 섬유 복합재 포장 가스 실린더를 제조하는 데 사용되었습니다. 경량, 충격 방지 및 난연성 섬유 복합재는 미래의 경량 배터리 팩 인클로저를 위한 중요한 소재가 될 것으로 예상됩니다.

그러나 비용 제약으로 인해 탄소 섬유 복합재가 지배하는 고성능 섬유 복합재는 배터리 팩 인클로저에 널리 적용되지 않았습니다. 새로운 에너지의 개발과 섬유 복합재 응용의 확대로 인해 섬유 복합재 사용 비용은 점차 감소할 것으로 예상됩니다. 섬유복합재료는 미래 신에너지 시장에서 빛을 발할 것입니다.