Aplicación de compuestos reforzados de fibra continua en cubiertas de batería de alimentación

Desde principios del siglo XXI, la maduración de la tecnología de batería de iones de litio ha alimentado el rápido desarrollo de vehículos eléctricos (EV). En los últimos años, la penetración de EV se ha acelerado, creando una tendencia disruptiva contra los vehículos tradicionales de motor de combustión interna. Sin embargo, desafíos como la ansiedad de rango, el rendimiento reducido en el invierno y la seguridad de la batería aún obstaculizan la aceptación más amplia del mercado de los EV. Abordar estos problemas requiere una innovación adicional en la tecnología de baterías de potencia, que está estrechamente vinculada al desarrollo y la aplicación de nuevos materiales. Estos materiales incluyen no solo materiales de electrodos dentro de las celdas de la batería, sino también los materiales estructurales en el nivel de integración del sistema, como los materiales de alojamiento de la batería.

Las carcasas de baterías de alimentación, incluidos los recintos y cubiertas del sistema, están comúnmente hechas de materiales metálicos como acero y aluminio. Estos materiales ofrecen procesos de fabricación de alta fortaleza y establecidos, cumpliendo con los requisitos de rendimiento mecánico de las carcasas de baterías. Sin embargo, a medida que las demandas de densidad de energía, aislamiento térmico y otros atributos aumentan, los materiales compuestos livianos han comenzado a reemplazar o reemplazar parcialmente los metales. Esto se ha convertido en una tendencia tecnológica significativa en el desarrollo de viviendas de baterías, obteniendo una atención creciente y aplicaciones exploratorias. En particular, las cubiertas compuestas han alcanzado la producción en masa en los modelos de vehículos listos para el mercado, con su uso y alcance de la aplicación que se expande continuamente y se establecen para desempeñar un papel aún más crítico en el futuro.

1. Descripción general de aplicaciones de material compuesto

1.1 Descripción general de los compuestos automotrices

En la industria automotriz, los compuestos de polímero/plástico reforzado con fibra (FRP) se han utilizado ampliamente. Sus aplicaciones más comunes implican reemplazar los materiales metálicos tradicionales para lograr la reducción de peso en componentes como cuerpos de vehículos, molduras interiores y exteriores, y paneles debajo del cuerpo. Dependiendo de las características de procesamiento de la matriz de resina, los FRP se clasifican en compuestos termoestables y termoplásticos, los cuales se han adoptado ampliamente en el campo automotriz.

• Compuestos termoestables
  Las resinas termoestables comunes incluyen resina epoxi, caracterizada por un curado de calor único, alta resistencia, excelente resistencia al calor, propiedades eléctricas superiores, resistencia a la corrosión, resistencia al envejecimiento y estabilidad dimensional.

• Compuestos termoplásticos
  Las resinas termoplásticas comunes incluyen polipropileno (PP), nylon/poliamida (PA), policarbonato (PC) y polietileno (PE). Estos materiales se ablandan cuando se calientan y se endurecen al enfriar, lo que permite un procesamiento repetido. Ofrecen resistencia al impacto, facilidad de procesamiento y reciclabilidad.

Las fibras de refuerzo comunes utilizadas en los FRP automotrices incluyen fibra de carbono y fibra de vidrio. Si bien la fibra de carbono tiene una resistencia superior, sus complejos procesos de fabricación y los altos costos limitan su aplicación a gran escala en los EV. La fibra de vidrio es menos fuerte pero más rentable. Sin embargo, el reciclaje y la reutilización de los compuestos de fibra de carbono y de vidrio siguen siendo desafiantes, potencialmente planteando preocupaciones ambientales.

Las fibras de refuerzo se clasifican en función de las dimensiones de fibra retenidas en el producto compuesto: fibras cortas, fibras largas y fibras continuas. Los compuestos continuos reforzados con fibra exhiben la mejor resistencia, rigidez y resistencia al impacto, presentando un potencial significativo para aplicaciones automotrices livianas.

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1.2 Procesos de moldeo compuesto

Los materiales compuestos a base de resina se pueden moldear a través de procesos como moldeo por compresión, moldeo por transferencia de resina (RTM), devanado de filamentos y pultrusión. Para estructuras de paneles grandes como cubiertas de batería, los métodos principales son el moldeo por compresión y RTM.

• Moldura de compresión: Una cantidad definida de material de moldeo se coloca en un molde de metal, luego se calienta y se presiona para curar en forma. Las subcategorías incluyen:

• Compuestos termoestables de fibra discontinua: SMC (compuesto de moldeo de láminas), BMC (compuesto de moldeo a granel), TMC (compuesto de moldeo grueso).

• Compuestos termoplásticos de fibra discontinua: GMT (termoplástica de estera de vidrio), LFT-D (termoplástica de fibra larga directa), LFT-G (inyección de gránulos termoplásticos de fibra larga).

• Compuestos de fibra continua: PCM (moldeo por compresión prepregada), WCM (moldura de compresión húmeda).

• Moldado de transferencia de resina (RTM): Este proceso implica inyectar resina en un molde cerrado para impregnar materiales de refuerzo y curar el producto. RTM tradicional tiene limitaciones, como las bajas tasas de impregnación de resina que causan porosidad, flujo de resina que interrumpe la alineación de la fibra y la distribución de resina desigual en productos grandes. Estos problemas han llevado a procesos mejorados como RTM de alta presión (HP-RTM) y moldeo de transferencia de resina asistida por vacío (VARTM). HP-RTM, por ejemplo, mejora la presión de inyección de resina, creando productos con baja porosidad y fracciones de alto volumen de fibra.

  
  

• 2. Materiales compuestos en cubiertas de batería

• Los materiales comunes para las cubiertas de baterías de energía incluyen acero, aleaciones de aluminio y compuestos:

• Acero: Las cubiertas de acero ofrecen alta resistencia y bajo costo. Los aceros de alta resistencia (por ejemplo, HC340, DP590) permiten espesores de 0.8 mm o 0.7 mm para ligero. Los tratamientos superficiales, como la electroforesis, mejoran la resistencia a la corrosión, mientras que los recubrimientos de fuego mejoran la protección térmica.

• Aleaciones de aluminio: El aluminio ofrece mayor resistencia específica que el acero, lo que permite una mayor reducción de peso. Por lo general, se utilizan aleaciones de aluminio de la serie 5, con espesores tan bajos como 1.2 mm o 1.5 mm. Mientras que el aluminio forma una capa de óxido natural para la resistencia a la corrosión, los tratamientos como la electroforesis, el recubrimiento por pulverización o la aplicación de capas protectoras mejoran el aislamiento y la protección térmica.

• Compuestos: Aplicaciones tempranas de compuestos en cubiertas de batería involucraron procesos SMC que utilizan fibras de vidrio discontinuas, como en las cubiertas de batería de los vehículos BAIC EU5. Sin embargo, la baja resistencia de los materiales SMC (resistencia a la tracción <100mpa) requirió espesores de 2 mm o más, lo que limita los beneficios de peso ligero. Los avances recientes en los procesos de moldeo de fibra continua (por ejemplo, PCM y HP-RTM) tienen técnicas compuestas de fibra de carbono extendidas para compuestos de fibra de vidrio más rentables.

• Los compuestos continuos reforzados con fibra de vidrio ahora logran una mayor resistencia (resistencia a la tracción> 400MPA) que las aleaciones de aluminio, con menor densidad (~ 1.9g/cm³). Los espesores se pueden reducir a 1,2 mm o más delgados, lo que permite una liviana significativa. Además, la resistencia inherente al fuego del material y las propiedades de aislamiento mejoran la seguridad en comparación con el aluminio. Sin embargo, los costos siguen siendo más altos que el acero o el aluminio.

• La producción en masa de cubiertas compuestas de fibra de vidrio continuas utiliza principalmente procesos PCM y HP-RTM.

• PCM: Inversión por adelantado más baja, capas de pre -pregregación manual, producción más lenta, ideal para pequeños lotes o prototipos.

• HP-RTM: Mayores costos de equipos y moho, materiales de tela de fibra seca, inyección de resina de alta presión al vacío, tasas de producción más rápidas y calidad de superficie superior.