Application de composites renforcés en fibre continue dans des couvercles de batterie d'alimentation

Depuis le début du 21e siècle, la maturation de la technologie de batterie au lithium-ion a alimenté le développement rapide des véhicules électriques (EV). Ces dernières années, la pénétration des véhicules électriques s'est accélérée, créant une tendance perturbatrice contre les véhicules traditionnels de moteur à combustion interne. Cependant, les défis tels que l'anxiété de l'aire de répartition, la réduction des performances en hiver et la sécurité des batteries entravent toujours l'acceptation plus large des véhicules électriques du marché. La résolution de ces problèmes nécessite une innovation supplémentaire dans la technologie de batterie de puissance, qui est étroitement liée au développement et à l'application de nouveaux matériaux. Ces matériaux comprennent non seulement des matériaux d'électrode dans les cellules de la batterie, mais aussi des matériaux structurels au niveau d'intégration du système, tels que les matériaux de boîtier de batterie.

Les boîtiers de batterie d'alimentation, y compris les enceintes et les couvertures du système, sont généralement fabriqués en matériaux métalliques tels que l'acier et l'aluminium. Ces matériaux offrent une résistance élevée et des processus de fabrication établis, répondant aux exigences de performances mécaniques des boîtiers de batterie. Cependant, à mesure que les exigences de densité d'énergie, d'isolation thermique et d'autres attributs augmentent, les matériaux composites légers ont commencé à remplacer ou à remplacer partiellement les métaux. Cela est devenu une tendance technologique importante dans le développement du boîtier de batterie, d'obtenir une attention croissante et des applications exploratoires. En particulier, les couvertures composites ont atteint la production de masse dans les modèles de véhicules prêts pour le marché, avec leur utilisation et leur portée d'application en pleine expansion et pour jouer un rôle encore plus critique à l'avenir.

1. Aperçu des applications de matériaux composites

1.1 Aperçu des composites automobiles

Dans l'industrie automobile, les composites en polymère / plastique renforcé de fibres (FRP) ont été largement utilisés. Leurs applications les plus courantes consistent à remplacer les matériaux métalliques traditionnels pour obtenir une réduction du poids dans les composants tels que les corps des véhicules, les garnitures intérieures et extérieures et les panneaux de sous-body. Selon les caractéristiques de traitement de la matrice de résine, les FRP sont classés en composites thermodurcissables et thermoplastiques, qui ont tous deux été largement adoptés dans le champ automobile.

• Composites thermodurcissables
  Les résines thermodurcissantes courantes comprennent la résine époxy, caractérisée par un durcissement thermique ponctuel, une forte résistance, une excellente résistance à la chaleur, des propriétés électriques supérieures, une résistance à la corrosion, une résistance au vieillissement et une stabilité dimensionnelle.

• Composites thermoplastiques
  Les résines thermoplastiques courantes comprennent le polypropylène (PP), le nylon / polyamide (PA), le polycarbonate (PC) et le polyéthylène (PE). Ces matériaux se ramollissent lorsqu'ils sont chauffés et durcissent lors du refroidissement, permettant un traitement répété. Ils offrent une résistance à l'impact, une facilité de traitement et une recyclabilité.

Les fibres de renforcement communes utilisées dans les FRP automobiles comprennent la fibre de carbone et les fibres de verre. Alors que la fibre de carbone a une résistance supérieure, ses processus de fabrication complexes et ses coûts élevés limitent son application à grande échelle dans les véhicules électriques. La fibre de verre est moins forte mais plus rentable. Cependant, le recyclage et la réutilisation des composites de fibres de carbone et de verre restent difficiles, posant potentiellement les préoccupations environnementales.

Les fibres de renforcement sont classées en fonction des dimensions de fibres conservées dans le produit composite: fibres courtes, fibres longues et fibres continues. Les composites renforcés en fibre continue présentent la meilleure résistance, la rigidité et la résistance à l'impact, présentant un potentiel important pour des applications automobiles légères.

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1.2 Processus de moulage composite

Les matériaux composites à base de résine peuvent être façonnés par des processus tels que le moulage par compression, le moulage par transfert de résine (RTM), l'enroulement des filaments et la pultrusion. Pour les grandes structures de panneaux comme les couvercles de batterie, les principales méthodes sont le moulage de compression et le RTM.

• Moulage par compression: Une quantité définie de matériau de moulage est placée dans un moule métallique, puis chauffée et pressée pour guérir en forme. Les sous-catégories comprennent:

• Composites thermodurcissables discontinus: SMC (composé de moulage en feuille), BMC (composé de moulage en vrac), TMC (composé de moulage épais).

• Composites thermoplastiques en fibre discontinue: GMT (Thermoplastique en verre en verre), LFT-D (thermoplastique directe à fibres longues), LFT-G (injection de granules thermoplastiques à fibre longue).

• Composites en fibres continues: PCM (moulage de compression préimprégné), WCM (moulure de compression humide).

• Moulage de transfert de résine (RTM): Ce processus consiste à injecter de la résine dans un moule fermé pour imprégner des matériaux de renforcement et guérir le produit. Le RTM traditionnel a des limitations, telles que les taux de faible imprégnation de résine provoquant une porosité, le débit de résine perturbant l'alignement des fibres et la distribution inégale de la résine dans les grands produits. Ces problèmes ont conduit à des processus améliorés tels que la RTM à haute pression (HP-RTM) et le moulage de transfert de résine assisté sous vide (VARTM). HP-RTM, par exemple, améliore la pression d'injection de résine, créant des produits avec une faible porosité et des fractions de volume de fibre élevé.

  

  
  

• 2. Matériaux composites en couvercles de batterie d'alimentation

• Les matériaux communs pour les housses de batterie d'alimentation comprennent l'acier, les alliages en aluminium et les composites:

• Acier: Les couvertures en acier offrent une résistance élevée et un faible coût. Les aciers à haute résistance (par exemple, HC340, DP590) permettent des épaisseurs de 0,8 mm ou 0,7 mm pour la légèreté. Les traitements de surface tels que l'électrophorèse améliorent la résistance à la corrosion, tandis que les revêtements ignifuges améliorent la protection thermique.

• Alliages en aluminium: L'aluminium offre une résistance spécifique plus élevée que l'acier, permettant une réduction de poids supplémentaire. En règle générale, les alliages en aluminium de la série 5 sont utilisés, avec des épaisseurs aussi bas que 1,2 mm ou 1,5 mm. Alors que l'aluminium forme une couche d'oxyde naturel pour la résistance à la corrosion, des traitements tels que l'électrophorèse, le revêtement par pulvérisation ou l'application des couches protecteurs améliorent l'isolation et la protection thermique.

• Composites: Les premières applications de composites dans les couvercles de batterie impliquaient des processus SMC à l'aide de fibres de verre discontinues, comme dans les couvercles de batterie des véhicules BAIC EU5. Cependant, la faible résistance des matériaux SMC (résistance à la traction <100MPA) a nécessité des épaisseurs de 2 mm ou plus, ce qui limite les avantages légers. Les progrès récents des processus de moulage en fibres continues (par exemple, PCM et HP-RTM) ont étendu des techniques composites en fibre de carbone en composites de fibres de verre plus rentables.

• Les composites renforcés en fibre de verre continue atteignent désormais une résistance plus élevée (résistance à la traction> 400MPA) que les alliages d'aluminium, avec une densité plus faible (~ 1,9 g / cm³). Les épaisseurs peuvent être réduites à 1,2 mm ou plus minces, permettant une légèreté importante. De plus, la résistance inhérente au feu et les propriétés d'isolation du matériau améliorent la sécurité par rapport à l'aluminium. Cependant, les coûts restent plus élevés que l'acier ou l'aluminium.

• La production de masse de couvertures composites renforcées en fibre de verre continues utilise principalement des processus PCM et HP-RTM.

• PCM: Investissement initial inférieur, superposition de préreg manuelle, production plus lente, idéale pour les petits lots ou prototypes.

• HP-RTM: Coût plus élevé d'équipements et de moisissures, matériaux de tissu en fibre sec, injection de résine à haute pression sous vide, taux de production plus rapides et qualité de surface supérieure.