Aplicação de compósitos reforçados com fibras contínuas em tampas de bateria de energia

Desde o início do século XXI, a maturação da tecnologia de bateria de íons de lítio alimentou o rápido desenvolvimento de veículos elétricos (VEs). Nos últimos anos, a penetração de EV acelerou, criando uma tendência disruptiva contra veículos tradicionais de mecanismo de combustão interna. No entanto, desafios como ansiedade de alcance, desempenho reduzido no inverno e segurança da bateria ainda dificultam a aceitação mais ampla do mercado dos VEs. Abordar esses problemas requer inovação adicional na tecnologia de bateria de energia, que está intimamente ligada ao desenvolvimento e aplicação de novos materiais. Esses materiais incluem não apenas materiais de eletrodo nas células da bateria, mas também materiais estruturais no nível de integração do sistema, como materiais de moradia da bateria.

As caixas de bateria de energia, incluindo gabinetes e tampas do sistema, são comumente feitas de materiais metálicos, como aço e alumínio. Esses materiais oferecem processos de fabricação de alta resistência e estabelecidos, atendendo aos requisitos de desempenho mecânico das caixas de bateria. No entanto, à medida que as demandas por densidade de energia, isolamento térmico e outros atributos aumentam, materiais compostos leves começaram a substituir ou substituir parcialmente os metais. Isso se tornou uma tendência tecnológica significativa no desenvolvimento da moradia da bateria, ganhando atenção crescente e aplicações exploratórias. Em particular, as capas compostas alcançaram a produção em massa em modelos de veículos prontos para o mercado, com seu escopo de uso e aplicação em expansão continuamente e definidos para desempenhar um papel ainda mais crítico no futuro.

1. Visão geral das aplicações de materiais compostos

1.1 Visão geral dos compósitos automotivos

Na indústria automotiva, os compósitos de polímero/plástico (FRP) reforçados com fibra foram amplamente utilizados. Suas aplicações mais comuns envolvem a substituição de materiais metálicos tradicionais para obter redução de peso em componentes como corpos de veículos, acabamentos interiores e externos e painéis da parte inferior do corpo. Dependendo das características de processamento da matriz de resina, os FRPs são classificados em compósitos termoestivos e termoplásticos, ambos dos quais foram amplamente adotados no campo automotivo.

• Compostos termoestivos
  As resinas termoforais comuns incluem resina epóxi, caracterizada por cura única, alta resistência, excelente resistência ao calor, propriedades elétricas superiores, resistência à corrosão, resistência ao envelhecimento e estabilidade dimensional.

• Compósitos termoplásticos
  As resinas termoplásticas comuns incluem polipropileno (PP), nylon/poliamida (PA), policarbonato (PC) e polietileno (PE). Esses materiais suavizam quando aquecidos e endurecem após o resfriamento, permitindo processamento repetido. Eles oferecem resistência ao impacto, facilidade de processamento e reciclabilidade.

As fibras de reforço comuns usadas em FRPs automotivas incluem fibra de carbono e vidro. Embora a fibra de carbono tenha força superior, seus complexos processos de fabricação e altos custos limitam sua aplicação em larga escala nos VEs. A fibra de vidro é menos forte, mas mais econômica. No entanto, a reciclagem e a reutilização dos compósitos de fibra de carbono e vidro continuam desafiadoras, potencialmente posando de preocupações ambientais.

As fibras de reforço são categorizadas com base em dimensões de fibra retidas no produto composto: fibras curtas, fibras longas e fibras contínuas. Os compósitos reforçados com fibra contínuos exibem a melhor resistência, rigidez e resistência ao impacto, apresentando potencial significativo para aplicações automotivas leves.

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1.2 Processos de moldagem composta

Os materiais compostos à base de resina podem ser moldados através de processos como moldagem por compressão, moldagem por transferência de resina (RTM), enrolamento de filamentos e pultrusão. Para estruturas de painel grandes, como tampas de bateria, os métodos primários são moldagem por compressão e RTM.

• Moldagem por compressão: Uma quantidade definida de material de moldagem é colocada em um molde de metal, depois aquecida e pressionada para curar em forma. As subcategorias incluem:

• Compósitos de termofólio de fibra descontínuos: SMC (composto de moldagem da folha), BMC (composto de moldagem a granel), TMC (composto de moldagem espessa).

• Compósitos termoplásticos descontínuos de fibra: GMT (termoplásticos de tapete de vidro), LFT-D (termoplástico direto de fibra longa), LFT-G (injeção de grânulo termoplástica de fibra longa).

• Compostos de fibra contínuos: PCM (moldagem de compressão pré -g), WCM (moldagem por compressão úmida).

• Moldagem de transferência de resina (RTM): Esse processo envolve a injeção de resina em um molde fechado para impregnar materiais de reforço e curar o produto. O RTM tradicional tem limitações, como baixas taxas de impregnação de resina, causando porosidade, fluxo de resina que interrompem o alinhamento da fibra e a distribuição desigual de resina em produtos grandes. Esses problemas levaram a processos aprimorados, como RTM de alta pressão (HP-RTM) e moldagem por transferência de resina assistida por vácuo (VARTM). O HP-RTM, por exemplo, aumenta a pressão de injeção de resina, criando produtos com baixa porosidade e frações de volume de fibra alta.

  
  

• 2. Materiais compostos em tampas de bateria de energia

• Os materiais comuns para tampas de bateria de energia incluem aço, ligas de alumínio e compósitos:

• Aço: As capas de aço oferecem alta resistência e baixo custo. Aços de alta resistência (por exemplo, HC340, DP590) permitem espessuras de 0,8 mm ou 0,7 mm para peso leve. Os tratamentos de superfície, como eletroforese, melhoram a resistência à corrosão, enquanto os revestimentos à prova de fogo aumentam a proteção térmica.

• Ligas de alumínio: O alumínio oferece maior força específica que o aço, permitindo uma redução de peso adicional. Normalmente, são usadas ligas de alumínio da série 5, com espessuras tão baixas quanto 1,2 mm ou 1,5 mm. Enquanto o alumínio forma uma camada de óxido natural para resistência à corrosão, tratamentos como eletroforese, revestimento por pulverização ou aplicação de camadas de proteção melhoram o isolamento e a proteção térmica.

• Compósitos: Aplicações iniciais de compósitos nas tampas de bateria envolveram processos SMC usando fibras de vidro descontínuas, como nas tampas da bateria de veículos BAIC EU5. No entanto, a baixa resistência dos materiais SMC (resistência à tração <100MPa) exigia espessuras de 2 mm ou mais, limitando os benefícios leves. Avanços recentes nos processos contínuos de moldagem por fibras (por exemplo, PCM e HP-RTM) estenderam técnicas de composto de fibra de carbono a compósitos de fibra de vidro mais econômicos.

• Os compósitos reforçados com fibra de vidro contínuos agora alcançam maior resistência (resistência à tração> 400mPa) do que as ligas de alumínio, com menor densidade (~ 1,9g/cm³). As espessuras podem ser reduzidas para 1,2 mm ou mais finas, permitindo peso leve significativo. Além disso, as propriedades inerentes à resistência ao fogo e isolamento do material aumentam a segurança em comparação com o alumínio. No entanto, os custos permanecem mais altos que o aço ou o alumínio.

• A produção em massa de tampas compostas reforçadas com fibra de vidro contínuas usa principalmente processos PCM e HP-RTM.

• PCM: Investimento inicial menor, camadas pré -gravadoras manuais, produção mais lenta, ideal para pequenos lotes ou protótipos.

• HP-RTM: Custos mais altos de equipamentos e mofo, materiais de tecido de fibra seca, injeção de resina de alta pressão a vácuo, taxas de produção mais rápidas e qualidade superior da superfície.