羅益鋒

摘要：汽車(chē)向輕量化、節(jié)能化、電動(dòng)化和環(huán)?；l(fā)展已是大勢(shì)所趨。近年來(lái)，通過(guò)更新傳統(tǒng)電池的設(shè)計(jì)理念，采用高性能纖維的關(guān)鍵部件和不斷降低生產(chǎn)成本，各種新能源動(dòng)力汽車(chē)開(kāi)始孕育而生。本文介紹了汽車(chē)輕量化、節(jié)能化的最新進(jìn)展和國(guó)內(nèi)外新型車(chē)用動(dòng)力電池的發(fā)展動(dòng)態(tài)，重點(diǎn)介紹了高性能纖維在其關(guān)鍵部件中的最新應(yīng)用進(jìn)展，以為我國(guó)新能源汽車(chē)的發(fā)展提供一些思路。

關(guān)鍵詞：輕量化；節(jié)能；電動(dòng)汽車(chē)；新型電池；高性能纖維；碳纖維復(fù)合材料

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ342+.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Latest Application Progress of High-performance Fiber to New-generation Vehicle

Abstract： More light-weight， more energy-saving and electrification are the trends for future vehicles. Owing to the technology improvements of battery， further application of high-performance fiber and several other improving ways， a variety of new-generation vehicles have been come up. Some latest developments， including how to be more light-weight and energy-saving with high-performance fiber and their reinforced material. R&D of new kinds of vehicle-used battery， are detailed introduced in this article. The author hopes it can provide some references for domestic new-energy vehicle industry.

Key words： light-weight； energy-saving； electrical vehicle； new battery； high-performance fiber； CFRP

在大氣污染和溫室效應(yīng)日益威脅人類(lèi)生存環(huán)境的現(xiàn)實(shí)情況下，汽車(chē)的輕量化、節(jié)能化、電動(dòng)化和環(huán)?；谴髣?shì)所趨。為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，美、歐、日等先進(jìn)國(guó)家和地區(qū)率先通過(guò)法律法規(guī)，分階段規(guī)定新出廠的汽車(chē)每消耗 1 L汽油需達(dá)到的行駛里程數(shù)，我國(guó)也開(kāi)始緊跟，這就迫使汽車(chē)生產(chǎn)廠家分階段擴(kuò)大碳纖維復(fù)合材料（CFRP）等在汽車(chē)非承力和承力件及零部件中的應(yīng)用。

另一方面，各國(guó)政府投巨資積極支持企業(yè)和科研院所研發(fā)新型動(dòng)力電池，以促進(jìn)電動(dòng)汽車(chē)的產(chǎn)業(yè)化和逐步普及。然而，由于現(xiàn)有動(dòng)力電池的安全性、高成本、體積大且重、充電時(shí)間長(zhǎng)、續(xù)駛距離有限和廢棄物難以處置等問(wèn)題而發(fā)展緩慢。

近年來(lái)，通過(guò)更新傳統(tǒng)電池的設(shè)計(jì)理念，采用高性能纖維的關(guān)鍵部件和不斷降低生產(chǎn)成本，各種新能源動(dòng)力汽車(chē)開(kāi)始孕育而生。比如目前出現(xiàn)的一種最先進(jìn)的概念車(chē)采用了 CFRP結(jié)構(gòu)材料，先進(jìn)電池，塑料光導(dǎo)纖維的光顯示系統(tǒng)，對(duì)位芳香族聚酰胺纖維的子午胎、同步帶和高壓軟管，碳纖維等耐熱部件和剎車(chē)片，以及用碳纖維或聚丙烯氈等制成的消音器，而內(nèi)裝飾材料選用了可生物降解的聚乳酸纖維等綠色產(chǎn)品。

1 汽車(chē)輕量化、節(jié)能化的最新進(jìn)展與技術(shù)進(jìn)步

1.1 汽車(chē)結(jié)構(gòu)材料采用CFRP是大勢(shì)所趨

美歐日和我國(guó)相繼出臺(tái)越來(lái)越嚴(yán)的法律法規(guī)，達(dá)不到規(guī)定的耗油量就不能生產(chǎn)，外國(guó)車(chē)也不許進(jìn)口，這對(duì)電動(dòng)車(chē)的發(fā)展具有重要的推動(dòng)作用。要達(dá)到規(guī)定的指標(biāo)，必須使汽車(chē)最終減重50% ～ 60%，而最佳的選擇是采用CFRP結(jié)構(gòu)材料。碳纖維價(jià)格貴是目前的瓶頸，隨著生產(chǎn)技術(shù)的高效化、市場(chǎng)應(yīng)用的推廣以及生產(chǎn)規(guī)模的大型化，其成本有望降低。CFRP成型工藝的多樣化、高效化和低成本化，將助推CFRP汽車(chē)由高檔車(chē)逐步向中檔車(chē)發(fā)展。

目前用碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹(shù)脂（CFRTP）制造非承力件，只需 1 ～ 5 min，且碳纖維增強(qiáng)熱固型樹(shù)脂作為承力件也只需1 ～ 3 min，有利于實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)和降低成本。

通過(guò)成型周期短的RTM一體化成型，部件數(shù)少。以“TEEWAVE”AR1車(chē)為例，與鋼制品相比，其部件數(shù)減少至1/20，減重約53%，CO2排放量減少約9%，但還需解決CFRP部件與鋼制品的粘合問(wèn)題。

圖 1 所示為CFRP和生物質(zhì)材料在汽車(chē)中的應(yīng)用。

圖 2 所示為CFRP的各種成型工藝，表 1 為 8 家主要的國(guó)際汽車(chē)企業(yè)推出的CFRP車(chē)型、應(yīng)用部位、車(chē)型工藝及售價(jià)等。

1.2 多種高科技纖維助推汽車(chē)的輕量化

汽車(chē)輕量化的要求，除帶動(dòng)塑料部件的多方應(yīng)用外，還推動(dòng)了天然纖維增強(qiáng)塑料、碳纖維和超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯（UHMWPE）纖維混雜復(fù)合材料部件、對(duì)位芳香族聚酰胺纖維子午胎、膠帶、膠管、剎車(chē)片（含碳纖維制品）及塑料光纖（POF）的全方位應(yīng)用。

三菱麗陽(yáng)的車(chē)載光顯示和光通信用POF正向全球普及。POF為PMMA芯和氟樹(shù)脂鞘材，直徑以 1 mm和0.75 mm為主，現(xiàn)已應(yīng)用于奔馳、寶馬、奧迪、達(dá)州、福特等的高檔車(chē)，并占全球市場(chǎng)的60% ～ 70%，2013年其需求量達(dá) 5 萬(wàn) ～ 6 萬(wàn)km，每秒可實(shí)現(xiàn) 1 Gps以上的高速信息傳輸。以聚苯乙烯為芯材、PMMA為鞘材的廉價(jià)POF現(xiàn)已部分應(yīng)用于國(guó)產(chǎn)汽車(chē)中作為L(zhǎng)ED照明與光顯示系統(tǒng)。據(jù)測(cè)算，汽車(chē)采用POF后可比采用電線減重10 ～ 20 kg，輕量化近30%。

除此之外，寧波大成新材料股份有限公司與奇瑞汽車(chē)合作，開(kāi)發(fā)了PAN-CF與UHMWPE纖維織布增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂引擎蓋（圖 3）和電池外殼箱（圖 4）等試制品，不僅更輕量化，還提高了抗沖擊性能。

汽車(chē)的輕量化同時(shí)也帶來(lái)了運(yùn)行過(guò)程中噪音增大的問(wèn)題，對(duì)此，除了利用CFRP本身具有震動(dòng)吸收能力的優(yōu)勢(shì)，國(guó)外多家公司開(kāi)發(fā)了汽車(chē)用吸音器或消音器。通常，高檔車(chē)可選用對(duì)位芳香族聚酰胺纖維或碳纖維加工的針刺氈，普通車(chē)多采用滌綸或丙綸非織造布。日本帝人纖維公司開(kāi)發(fā)了縱向排列的非織造布結(jié)構(gòu)體“V-LAP”，作為汽車(chē)頂部和底盤(pán)的吸音材料；可樂(lè)麗Clarex公司開(kāi)發(fā)了具有震動(dòng)吸收能力的蒸汽噴射非織造布“フレクスター”，原料采用可樂(lè)麗生產(chǎn)的芯鞘型板狀非織造布，芯材為聚酯，鞘材為乙烯-乙烯醇（EVA）共聚物。

電動(dòng)汽車(chē)和新一代車(chē)的排熱量較少，而且隨著驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高效化和走行阻力的減少，所需能量相對(duì)較少，因此相對(duì)而言用于空調(diào)的能量比率增大，需要加強(qiáng)整體保溫材料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。

1.3 CFRP回收技術(shù)的開(kāi)發(fā)和產(chǎn)業(yè)化迫在眉睫

隨著CFRP在各產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的大規(guī)模廣泛應(yīng)用，其廢棄物的回收再利用將成為關(guān)鍵。CFRP的再生相對(duì)容易，一般采取粉碎再制成母粒使用。但目前碳纖維增強(qiáng)熱固性樹(shù)脂是CFRP的主流產(chǎn)品，回收再利用難度較大，現(xiàn)階段對(duì)此已開(kāi)發(fā)出超臨界液體法、熱分解法、常壓溶解法、過(guò)熱蒸汽處理法、太陽(yáng)能法和水熱加壓法等回收再生工藝，且有些已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

對(duì)于所回收的碳長(zhǎng)絲等，可加工成非織造布、短切纖維或直接制成CFRP，再生碳長(zhǎng)絲的表面處理技術(shù)、成本和壽命周期評(píng)價(jià)等則是目前該領(lǐng)域面臨的問(wèn)題。

2 新型車(chē)用動(dòng)力電池的最新進(jìn)展及高性能纖維的重要作用

電池是電動(dòng)汽車(chē)的關(guān)鍵部件，近年來(lái)研發(fā)工作日新月異，出現(xiàn)了“百花齊放”的局面，表 2 所示為幾種有望產(chǎn)業(yè)化、初步產(chǎn)業(yè)化的動(dòng)力電池尚存在的問(wèn)題和新進(jìn)展。

2.1 鋰離子電池

美國(guó)電動(dòng)汽車(chē)Tesla（特斯拉）（圖 5）的市場(chǎng)化被認(rèn)為對(duì)于新能源汽車(chē)的發(fā)展具有里程碑意義，其單次充電時(shí)間可縮短至30 ～ 60 min，靠擴(kuò)大電池容量和增大車(chē)型使一次充電可續(xù)駛300 ～ 500 km，電池總重在500 ～ 1 000 kg之間，占汽車(chē)成本的50% ～ 60%，據(jù)報(bào)道曾發(fā)生過(guò) 6 次自燃事故。

對(duì)于這一車(chē)型的電池，改進(jìn)的方向是采用碳纖維作為高強(qiáng)電極材料，而東麗和三菱樹(shù)脂分別提供均質(zhì)聚酰亞胺非織造布和濕法成型PE單層膜與芳綸非織造布相復(fù)合的電池隔膜，可耐200 ℃以上的高溫。帝人提供在PE基材上復(fù)合Conex（一種間位芳香族聚酰胺纖維）非織造布并涂覆氟化物，以及間位芳香族聚酰胺納米纖維非織造布作為鋰離子電池隔膜。

此外，中國(guó)海誠(chéng)工程科技股份有限公司研發(fā)的PET/ TENCEL？非織造布通過(guò)涂覆20%的Al2O3粉作為鋰離子電池的5P-1隔膜，容量保持率可達(dá)83.4%。

2.2 氫-空氣燃料電池

氫-空氣燃料電池是清潔能源且原料價(jià)廉，但其所用Pt等催化劑昂貴，要產(chǎn)業(yè)化需改進(jìn)氫的制造、儲(chǔ)存和運(yùn)輸技術(shù)，按國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)氫儲(chǔ)罐壓力需耐700 MPa的壓力和超低溫，而供氫站約需500 L的儲(chǔ)存罐，這些都需CFRP高壓容器。

另外，儲(chǔ)氫還涉及儲(chǔ)氫材料，目前最好的吸氫材料是經(jīng)硝酸處理的單壁碳納米管（SWCNT）和活性炭纖維，如圖 6所示，也可采用儲(chǔ)氫合金。

為防止催化劑中毒，需采用Pt和各種輔助金屬（Ru、Sn、Pd、Bi、Mo等）的合金催化劑，并需中、小直徑的碳納米纖維（CNF）（直徑為10 ～ 50 nm）作為載體，才能用于高活性、低溫型的燃料電池，并降低Pt的用量和成本，具體如表 3 和表 4所示。

車(chē)載的CFRP氫氣瓶?jī)?nèi)壓需由目前的35 MPa提高至70 MPa，方能實(shí)現(xiàn) 3 min內(nèi)充一次氫氣跑500 km以上，搭載氫氣量增大30%，具體方案及應(yīng)用示例如圖 7 — 圖 9 所示。

燃料電池的氣體擴(kuò)散層可選用碳纖維織物或非織造布。中國(guó)工程物理研究院化工材料研究所研發(fā)在Nafion共聚物中摻入單壁碳納米管的復(fù)合膜，可用作質(zhì)子交換膜的燃料電池陽(yáng)極催化層。

2014年一季度，豐田燃料汽車(chē)（圖10）在加拿大作運(yùn)行試驗(yàn)，最長(zhǎng)續(xù)駛距離可達(dá)620 km，計(jì)劃在2015年實(shí)現(xiàn)商品化。

此外，將于2015年投放市場(chǎng)的還有現(xiàn)代i-blue車(chē)型（圖11），據(jù)報(bào)道續(xù)駛距離為600 km；凱迪拉克Provoq車(chē)型（圖12），續(xù)駛距離為483 km。

2.3 鈉硫電池

鈉硫電池的優(yōu)點(diǎn)是能量密度高，壽命長(zhǎng)，價(jià)廉，操作溫度在300 ～ 350 ℃之間，但具有強(qiáng)腐蝕性，曾發(fā)生過(guò)自燃。為解決其安全性，日本ガイシ公司的解決方案是用碳片材將單電池卷起來(lái)，以提高耐熱性。

目前國(guó)外采用該電池的續(xù)駛距離為500 km，而我國(guó)據(jù)稱(chēng)可達(dá)1 000 km。

2.4 鋁-空氣電池

鋁-空氣電池的優(yōu)點(diǎn)是理論能量密度高達(dá)8 135 Wh/kg，實(shí)際可達(dá)400 ～ 600 Wh/kg，鋁負(fù)極電流密度高達(dá)350 ～ 500 mA/cm2，有利于驅(qū)動(dòng)；缺點(diǎn)是陽(yáng)極極化嚴(yán)重，鋁表面易形成氧化膜，負(fù)極腐蝕嚴(yán)重，正極材料的貴金屬催化劑昂貴。電池高導(dǎo)電層有選用碳纖維氈的。

2.5 鋅-空氣電池

鋅-空氣電池作為一次電池現(xiàn)已實(shí)用化，日本松下的PR44電池能量密度高達(dá)466 Wh/kg或1 473 Wh/L。但作為二次電池在充電時(shí)會(huì)析出樹(shù)脂狀晶體，使電極產(chǎn)生自放電，造成電容電流丟失快的問(wèn)題。此外，在空氣極要開(kāi)發(fā)高效的氧化還原反應(yīng)等的催化劑。國(guó)外的相關(guān)專(zhuān)利中有選用微管式電池隔膜取代平板膜的方法，以擴(kuò)大單位體積的膜反應(yīng)面積。

我國(guó)有多家科研院所和企業(yè)進(jìn)行車(chē)用鋅-空氣電池的研發(fā)，其中江蘇泰康電動(dòng)車(chē)有限公司的產(chǎn)品已試用于武漢公共汽車(chē)上，但電池組沒(méi)電后需更換下來(lái)，經(jīng)重新處理和更換電解液后才能重新使用。

2.6 鋰-空氣電池

鋰-空氣電池可望有較大的容量，但在有機(jī)電解液體系要確保反應(yīng)生成物L(fēng)i2O以微粒析出并進(jìn)行可逆反應(yīng)，而在水溶液體系中則要開(kāi)發(fā)金屬鋰與水溶液分離的電解質(zhì)膜。

為了獲得高比容量，負(fù)極材料有選用單壁碳納米管和碳納米纖維相組合的膜，可獲得2 500 mAh/g的電流密度，但為防止電容下降，需添加α-MnO2作為催化劑。

2.7 硼化釩-空氣電池

硼化釩-空氣電池是中德合作研發(fā)并由中方控股的項(xiàng)目，其優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需充電，而靠硼化釩（VB2）納米粉與空氣中的氧在催化劑存在的情況下發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生電流，反應(yīng)產(chǎn)物可再生循環(huán)使用，更換電池中的VB2只需 3 ～ 5 min，反應(yīng)溫度不超過(guò)60 ℃，因而不易發(fā)生自燃和爆炸。其先進(jìn)性和創(chuàng)新點(diǎn)還在于將傳統(tǒng)電池的平板電池隔膜設(shè)計(jì)成了微管式或中空纖維膜及環(huán)繞內(nèi)外層的電極，具體如圖13所示。

該新型電池的新穎性還在于中空纖維直徑越小，電池質(zhì)量和體積就越小，而能量密度卻越高，與其他電池的原理相反。

據(jù)報(bào)道，該電池已于2013年被授權(quán)實(shí)用新型專(zhuān)利，2014年發(fā)明專(zhuān)利也已進(jìn)入實(shí)審期。將來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化后，第一代電動(dòng)車(chē)可續(xù)航500 km，第二代則可實(shí)現(xiàn)1 000 km。

3 結(jié)語(yǔ)

目前，我國(guó)正加大對(duì)新能源汽車(chē)用新型動(dòng)力電池的開(kāi)發(fā)力度，并對(duì)購(gòu)買(mǎi)電動(dòng)汽車(chē)實(shí)行一定的優(yōu)惠政策，這非常有利于我國(guó)新能源汽車(chē)的發(fā)展。為了促進(jìn)我國(guó)電動(dòng)汽產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，可借鑒國(guó)外的成功經(jīng)驗(yàn)，以整車(chē)廠為主導(dǎo)，與電池、汽車(chē)配件及主要纖維材料生產(chǎn)商等進(jìn)行緊密協(xié)作。

參考文獻(xiàn)（略）

除此之外，寧波大成新材料股份有限公司與奇瑞汽車(chē)合作，開(kāi)發(fā)了PAN-CF與UHMWPE纖維織布增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂引擎蓋（圖 3）和電池外殼箱（圖 4）等試制品，不僅更輕量化，還提高了抗沖擊性能。

汽車(chē)的輕量化同時(shí)也帶來(lái)了運(yùn)行過(guò)程中噪音增大的問(wèn)題，對(duì)此，除了利用CFRP本身具有震動(dòng)吸收能力的優(yōu)勢(shì)，國(guó)外多家公司開(kāi)發(fā)了汽車(chē)用吸音器或消音器。通常，高檔車(chē)可選用對(duì)位芳香族聚酰胺纖維或碳纖維加工的針刺氈，普通車(chē)多采用滌綸或丙綸非織造布。日本帝人纖維公司開(kāi)發(fā)了縱向排列的非織造布結(jié)構(gòu)體“V-LAP”，作為汽車(chē)頂部和底盤(pán)的吸音材料；可樂(lè)麗Clarex公司開(kāi)發(fā)了具有震動(dòng)吸收能力的蒸汽噴射非織造布“フレクスター”，原料采用可樂(lè)麗生產(chǎn)的芯鞘型板狀非織造布，芯材為聚酯，鞘材為乙烯-乙烯醇（EVA）共聚物。

電動(dòng)汽車(chē)和新一代車(chē)的排熱量較少，而且隨著驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高效化和走行阻力的減少，所需能量相對(duì)較少，因此相對(duì)而言用于空調(diào)的能量比率增大，需要加強(qiáng)整體保溫材料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。

1.3 CFRP回收技術(shù)的開(kāi)發(fā)和產(chǎn)業(yè)化迫在眉睫

隨著CFRP在各產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的大規(guī)模廣泛應(yīng)用，其廢棄物的回收再利用將成為關(guān)鍵。CFRP的再生相對(duì)容易，一般采取粉碎再制成母粒使用。但目前碳纖維增強(qiáng)熱固性樹(shù)脂是CFRP的主流產(chǎn)品，回收再利用難度較大，現(xiàn)階段對(duì)此已開(kāi)發(fā)出超臨界液體法、熱分解法、常壓溶解法、過(guò)熱蒸汽處理法、太陽(yáng)能法和水熱加壓法等回收再生工藝，且有些已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

對(duì)于所回收的碳長(zhǎng)絲等，可加工成非織造布、短切纖維或直接制成CFRP，再生碳長(zhǎng)絲的表面處理技術(shù)、成本和壽命周期評(píng)價(jià)等則是目前該領(lǐng)域面臨的問(wèn)題。

2 新型車(chē)用動(dòng)力電池的最新進(jìn)展及高性能纖維的重要作用

電池是電動(dòng)汽車(chē)的關(guān)鍵部件，近年來(lái)研發(fā)工作日新月異，出現(xiàn)了“百花齊放”的局面，表 2 所示為幾種有望產(chǎn)業(yè)化、初步產(chǎn)業(yè)化的動(dòng)力電池尚存在的問(wèn)題和新進(jìn)展。

2.1 鋰離子電池

美國(guó)電動(dòng)汽車(chē)Tesla（特斯拉）（圖 5）的市場(chǎng)化被認(rèn)為對(duì)于新能源汽車(chē)的發(fā)展具有里程碑意義，其單次充電時(shí)間可縮短至30 ～ 60 min，靠擴(kuò)大電池容量和增大車(chē)型使一次充電可續(xù)駛300 ～ 500 km，電池總重在500 ～ 1 000 kg之間，占汽車(chē)成本的50% ～ 60%，據(jù)報(bào)道曾發(fā)生過(guò) 6 次自燃事故。

對(duì)于這一車(chē)型的電池，改進(jìn)的方向是采用碳纖維作為高強(qiáng)電極材料，而東麗和三菱樹(shù)脂分別提供均質(zhì)聚酰亞胺非織造布和濕法成型PE單層膜與芳綸非織造布相復(fù)合的電池隔膜，可耐200 ℃以上的高溫。帝人提供在PE基材上復(fù)合Conex（一種間位芳香族聚酰胺纖維）非織造布并涂覆氟化物，以及間位芳香族聚酰胺納米纖維非織造布作為鋰離子電池隔膜。

此外，中國(guó)海誠(chéng)工程科技股份有限公司研發(fā)的PET/ TENCEL？非織造布通過(guò)涂覆20%的Al2O3粉作為鋰離子電池的5P-1隔膜，容量保持率可達(dá)83.4%。

2.2 氫-空氣燃料電池

氫-空氣燃料電池是清潔能源且原料價(jià)廉，但其所用Pt等催化劑昂貴，要產(chǎn)業(yè)化需改進(jìn)氫的制造、儲(chǔ)存和運(yùn)輸技術(shù)，按國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)氫儲(chǔ)罐壓力需耐700 MPa的壓力和超低溫，而供氫站約需500 L的儲(chǔ)存罐，這些都需CFRP高壓容器。

另外，儲(chǔ)氫還涉及儲(chǔ)氫材料，目前最好的吸氫材料是經(jīng)硝酸處理的單壁碳納米管（SWCNT）和活性炭纖維，如圖 6所示，也可采用儲(chǔ)氫合金。

為防止催化劑中毒，需采用Pt和各種輔助金屬（Ru、Sn、Pd、Bi、Mo等）的合金催化劑，并需中、小直徑的碳納米纖維（CNF）（直徑為10 ～ 50 nm）作為載體，才能用于高活性、低溫型的燃料電池，并降低Pt的用量和成本，具體如表 3 和表 4所示。

車(chē)載的CFRP氫氣瓶?jī)?nèi)壓需由目前的35 MPa提高至70 MPa，方能實(shí)現(xiàn) 3 min內(nèi)充一次氫氣跑500 km以上，搭載氫氣量增大30%，具體方案及應(yīng)用示例如圖 7 — 圖 9 所示。

燃料電池的氣體擴(kuò)散層可選用碳纖維織物或非織造布。中國(guó)工程物理研究院化工材料研究所研發(fā)在Nafion共聚物中摻入單壁碳納米管的復(fù)合膜，可用作質(zhì)子交換膜的燃料電池陽(yáng)極催化層。

2014年一季度，豐田燃料汽車(chē)（圖10）在加拿大作運(yùn)行試驗(yàn)，最長(zhǎng)續(xù)駛距離可達(dá)620 km，計(jì)劃在2015年實(shí)現(xiàn)商品化。

此外，將于2015年投放市場(chǎng)的還有現(xiàn)代i-blue車(chē)型（圖11），據(jù)報(bào)道續(xù)駛距離為600 km；凱迪拉克Provoq車(chē)型（圖12），續(xù)駛距離為483 km。

2.3 鈉硫電池

鈉硫電池的優(yōu)點(diǎn)是能量密度高，壽命長(zhǎng)，價(jià)廉，操作溫度在300 ～ 350 ℃之間，但具有強(qiáng)腐蝕性，曾發(fā)生過(guò)自燃。為解決其安全性，日本ガイシ公司的解決方案是用碳片材將單電池卷起來(lái)，以提高耐熱性。

目前國(guó)外采用該電池的續(xù)駛距離為500 km，而我國(guó)據(jù)稱(chēng)可達(dá)1 000 km。

2.4 鋁-空氣電池

鋁-空氣電池的優(yōu)點(diǎn)是理論能量密度高達(dá)8 135 Wh/kg，實(shí)際可達(dá)400 ～ 600 Wh/kg，鋁負(fù)極電流密度高達(dá)350 ～ 500 mA/cm2，有利于驅(qū)動(dòng)；缺點(diǎn)是陽(yáng)極極化嚴(yán)重，鋁表面易形成氧化膜，負(fù)極腐蝕嚴(yán)重，正極材料的貴金屬催化劑昂貴。電池高導(dǎo)電層有選用碳纖維氈的。

2.5 鋅-空氣電池

鋅-空氣電池作為一次電池現(xiàn)已實(shí)用化，日本松下的PR44電池能量密度高達(dá)466 Wh/kg或1 473 Wh/L。但作為二次電池在充電時(shí)會(huì)析出樹(shù)脂狀晶體，使電極產(chǎn)生自放電，造成電容電流丟失快的問(wèn)題。此外，在空氣極要開(kāi)發(fā)高效的氧化還原反應(yīng)等的催化劑。國(guó)外的相關(guān)專(zhuān)利中有選用微管式電池隔膜取代平板膜的方法，以擴(kuò)大單位體積的膜反應(yīng)面積。

我國(guó)有多家科研院所和企業(yè)進(jìn)行車(chē)用鋅-空氣電池的研發(fā)，其中江蘇泰康電動(dòng)車(chē)有限公司的產(chǎn)品已試用于武漢公共汽車(chē)上，但電池組沒(méi)電后需更換下來(lái)，經(jīng)重新處理和更換電解液后才能重新使用。

2.6 鋰-空氣電池

鋰-空氣電池可望有較大的容量，但在有機(jī)電解液體系要確保反應(yīng)生成物L(fēng)i2O以微粒析出并進(jìn)行可逆反應(yīng)，而在水溶液體系中則要開(kāi)發(fā)金屬鋰與水溶液分離的電解質(zhì)膜。

為了獲得高比容量，負(fù)極材料有選用單壁碳納米管和碳納米纖維相組合的膜，可獲得2 500 mAh/g的電流密度，但為防止電容下降，需添加α-MnO2作為催化劑。

2.7 硼化釩-空氣電池

硼化釩-空氣電池是中德合作研發(fā)并由中方控股的項(xiàng)目，其優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需充電，而靠硼化釩（VB2）納米粉與空氣中的氧在催化劑存在的情況下發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生電流，反應(yīng)產(chǎn)物可再生循環(huán)使用，更換電池中的VB2只需 3 ～ 5 min，反應(yīng)溫度不超過(guò)60 ℃，因而不易發(fā)生自燃和爆炸。其先進(jìn)性和創(chuàng)新點(diǎn)還在于將傳統(tǒng)電池的平板電池隔膜設(shè)計(jì)成了微管式或中空纖維膜及環(huán)繞內(nèi)外層的電極，具體如圖13所示。

該新型電池的新穎性還在于中空纖維直徑越小，電池質(zhì)量和體積就越小，而能量密度卻越高，與其他電池的原理相反。

據(jù)報(bào)道，該電池已于2013年被授權(quán)實(shí)用新型專(zhuān)利，2014年發(fā)明專(zhuān)利也已進(jìn)入實(shí)審期。將來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化后，第一代電動(dòng)車(chē)可續(xù)航500 km，第二代則可實(shí)現(xiàn)1 000 km。

3 結(jié)語(yǔ)

目前，我國(guó)正加大對(duì)新能源汽車(chē)用新型動(dòng)力電池的開(kāi)發(fā)力度，并對(duì)購(gòu)買(mǎi)電動(dòng)汽車(chē)實(shí)行一定的優(yōu)惠政策，這非常有利于我國(guó)新能源汽車(chē)的發(fā)展。為了促進(jìn)我國(guó)電動(dòng)汽產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，可借鑒國(guó)外的成功經(jīng)驗(yàn)，以整車(chē)廠為主導(dǎo)，與電池、汽車(chē)配件及主要纖維材料生產(chǎn)商等進(jìn)行緊密協(xié)作。

參考文獻(xiàn)（略）

除此之外，寧波大成新材料股份有限公司與奇瑞汽車(chē)合作，開(kāi)發(fā)了PAN-CF與UHMWPE纖維織布增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂引擎蓋（圖 3）和電池外殼箱（圖 4）等試制品，不僅更輕量化，還提高了抗沖擊性能。

汽車(chē)的輕量化同時(shí)也帶來(lái)了運(yùn)行過(guò)程中噪音增大的問(wèn)題，對(duì)此，除了利用CFRP本身具有震動(dòng)吸收能力的優(yōu)勢(shì)，國(guó)外多家公司開(kāi)發(fā)了汽車(chē)用吸音器或消音器。通常，高檔車(chē)可選用對(duì)位芳香族聚酰胺纖維或碳纖維加工的針刺氈，普通車(chē)多采用滌綸或丙綸非織造布。日本帝人纖維公司開(kāi)發(fā)了縱向排列的非織造布結(jié)構(gòu)體“V-LAP”，作為汽車(chē)頂部和底盤(pán)的吸音材料；可樂(lè)麗Clarex公司開(kāi)發(fā)了具有震動(dòng)吸收能力的蒸汽噴射非織造布“フレクスター”，原料采用可樂(lè)麗生產(chǎn)的芯鞘型板狀非織造布，芯材為聚酯，鞘材為乙烯-乙烯醇（EVA）共聚物。

電動(dòng)汽車(chē)和新一代車(chē)的排熱量較少，而且隨著驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高效化和走行阻力的減少，所需能量相對(duì)較少，因此相對(duì)而言用于空調(diào)的能量比率增大，需要加強(qiáng)整體保溫材料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。

1.3 CFRP回收技術(shù)的開(kāi)發(fā)和產(chǎn)業(yè)化迫在眉睫

隨著CFRP在各產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的大規(guī)模廣泛應(yīng)用，其廢棄物的回收再利用將成為關(guān)鍵。CFRP的再生相對(duì)容易，一般采取粉碎再制成母粒使用。但目前碳纖維增強(qiáng)熱固性樹(shù)脂是CFRP的主流產(chǎn)品，回收再利用難度較大，現(xiàn)階段對(duì)此已開(kāi)發(fā)出超臨界液體法、熱分解法、常壓溶解法、過(guò)熱蒸汽處理法、太陽(yáng)能法和水熱加壓法等回收再生工藝，且有些已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

對(duì)于所回收的碳長(zhǎng)絲等，可加工成非織造布、短切纖維或直接制成CFRP，再生碳長(zhǎng)絲的表面處理技術(shù)、成本和壽命周期評(píng)價(jià)等則是目前該領(lǐng)域面臨的問(wèn)題。

2 新型車(chē)用動(dòng)力電池的最新進(jìn)展及高性能纖維的重要作用

電池是電動(dòng)汽車(chē)的關(guān)鍵部件，近年來(lái)研發(fā)工作日新月異，出現(xiàn)了“百花齊放”的局面，表 2 所示為幾種有望產(chǎn)業(yè)化、初步產(chǎn)業(yè)化的動(dòng)力電池尚存在的問(wèn)題和新進(jìn)展。

2.1 鋰離子電池

美國(guó)電動(dòng)汽車(chē)Tesla（特斯拉）（圖 5）的市場(chǎng)化被認(rèn)為對(duì)于新能源汽車(chē)的發(fā)展具有里程碑意義，其單次充電時(shí)間可縮短至30 ～ 60 min，靠擴(kuò)大電池容量和增大車(chē)型使一次充電可續(xù)駛300 ～ 500 km，電池總重在500 ～ 1 000 kg之間，占汽車(chē)成本的50% ～ 60%，據(jù)報(bào)道曾發(fā)生過(guò) 6 次自燃事故。

對(duì)于這一車(chē)型的電池，改進(jìn)的方向是采用碳纖維作為高強(qiáng)電極材料，而東麗和三菱樹(shù)脂分別提供均質(zhì)聚酰亞胺非織造布和濕法成型PE單層膜與芳綸非織造布相復(fù)合的電池隔膜，可耐200 ℃以上的高溫。帝人提供在PE基材上復(fù)合Conex（一種間位芳香族聚酰胺纖維）非織造布并涂覆氟化物，以及間位芳香族聚酰胺納米纖維非織造布作為鋰離子電池隔膜。

此外，中國(guó)海誠(chéng)工程科技股份有限公司研發(fā)的PET/ TENCEL？非織造布通過(guò)涂覆20%的Al2O3粉作為鋰離子電池的5P-1隔膜，容量保持率可達(dá)83.4%。

2.2 氫-空氣燃料電池

氫-空氣燃料電池是清潔能源且原料價(jià)廉，但其所用Pt等催化劑昂貴，要產(chǎn)業(yè)化需改進(jìn)氫的制造、儲(chǔ)存和運(yùn)輸技術(shù)，按國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)氫儲(chǔ)罐壓力需耐700 MPa的壓力和超低溫，而供氫站約需500 L的儲(chǔ)存罐，這些都需CFRP高壓容器。

另外，儲(chǔ)氫還涉及儲(chǔ)氫材料，目前最好的吸氫材料是經(jīng)硝酸處理的單壁碳納米管（SWCNT）和活性炭纖維，如圖 6所示，也可采用儲(chǔ)氫合金。

為防止催化劑中毒，需采用Pt和各種輔助金屬（Ru、Sn、Pd、Bi、Mo等）的合金催化劑，并需中、小直徑的碳納米纖維（CNF）（直徑為10 ～ 50 nm）作為載體，才能用于高活性、低溫型的燃料電池，并降低Pt的用量和成本，具體如表 3 和表 4所示。

車(chē)載的CFRP氫氣瓶?jī)?nèi)壓需由目前的35 MPa提高至70 MPa，方能實(shí)現(xiàn) 3 min內(nèi)充一次氫氣跑500 km以上，搭載氫氣量增大30%，具體方案及應(yīng)用示例如圖 7 — 圖 9 所示。

燃料電池的氣體擴(kuò)散層可選用碳纖維織物或非織造布。中國(guó)工程物理研究院化工材料研究所研發(fā)在Nafion共聚物中摻入單壁碳納米管的復(fù)合膜，可用作質(zhì)子交換膜的燃料電池陽(yáng)極催化層。

2014年一季度，豐田燃料汽車(chē)（圖10）在加拿大作運(yùn)行試驗(yàn)，最長(zhǎng)續(xù)駛距離可達(dá)620 km，計(jì)劃在2015年實(shí)現(xiàn)商品化。

此外，將于2015年投放市場(chǎng)的還有現(xiàn)代i-blue車(chē)型（圖11），據(jù)報(bào)道續(xù)駛距離為600 km；凱迪拉克Provoq車(chē)型（圖12），續(xù)駛距離為483 km。

2.3 鈉硫電池

鈉硫電池的優(yōu)點(diǎn)是能量密度高，壽命長(zhǎng)，價(jià)廉，操作溫度在300 ～ 350 ℃之間，但具有強(qiáng)腐蝕性，曾發(fā)生過(guò)自燃。為解決其安全性，日本ガイシ公司的解決方案是用碳片材將單電池卷起來(lái)，以提高耐熱性。

目前國(guó)外采用該電池的續(xù)駛距離為500 km，而我國(guó)據(jù)稱(chēng)可達(dá)1 000 km。

2.4 鋁-空氣電池

鋁-空氣電池的優(yōu)點(diǎn)是理論能量密度高達(dá)8 135 Wh/kg，實(shí)際可達(dá)400 ～ 600 Wh/kg，鋁負(fù)極電流密度高達(dá)350 ～ 500 mA/cm2，有利于驅(qū)動(dòng)；缺點(diǎn)是陽(yáng)極極化嚴(yán)重，鋁表面易形成氧化膜，負(fù)極腐蝕嚴(yán)重，正極材料的貴金屬催化劑昂貴。電池高導(dǎo)電層有選用碳纖維氈的。

2.5 鋅-空氣電池

鋅-空氣電池作為一次電池現(xiàn)已實(shí)用化，日本松下的PR44電池能量密度高達(dá)466 Wh/kg或1 473 Wh/L。但作為二次電池在充電時(shí)會(huì)析出樹(shù)脂狀晶體，使電極產(chǎn)生自放電，造成電容電流丟失快的問(wèn)題。此外，在空氣極要開(kāi)發(fā)高效的氧化還原反應(yīng)等的催化劑。國(guó)外的相關(guān)專(zhuān)利中有選用微管式電池隔膜取代平板膜的方法，以擴(kuò)大單位體積的膜反應(yīng)面積。

我國(guó)有多家科研院所和企業(yè)進(jìn)行車(chē)用鋅-空氣電池的研發(fā)，其中江蘇泰康電動(dòng)車(chē)有限公司的產(chǎn)品已試用于武漢公共汽車(chē)上，但電池組沒(méi)電后需更換下來(lái)，經(jīng)重新處理和更換電解液后才能重新使用。

2.6 鋰-空氣電池

鋰-空氣電池可望有較大的容量，但在有機(jī)電解液體系要確保反應(yīng)生成物L(fēng)i2O以微粒析出并進(jìn)行可逆反應(yīng)，而在水溶液體系中則要開(kāi)發(fā)金屬鋰與水溶液分離的電解質(zhì)膜。

為了獲得高比容量，負(fù)極材料有選用單壁碳納米管和碳納米纖維相組合的膜，可獲得2 500 mAh/g的電流密度，但為防止電容下降，需添加α-MnO2作為催化劑。

2.7 硼化釩-空氣電池

硼化釩-空氣電池是中德合作研發(fā)并由中方控股的項(xiàng)目，其優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需充電，而靠硼化釩（VB2）納米粉與空氣中的氧在催化劑存在的情況下發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生電流，反應(yīng)產(chǎn)物可再生循環(huán)使用，更換電池中的VB2只需 3 ～ 5 min，反應(yīng)溫度不超過(guò)60 ℃，因而不易發(fā)生自燃和爆炸。其先進(jìn)性和創(chuàng)新點(diǎn)還在于將傳統(tǒng)電池的平板電池隔膜設(shè)計(jì)成了微管式或中空纖維膜及環(huán)繞內(nèi)外層的電極，具體如圖13所示。

該新型電池的新穎性還在于中空纖維直徑越小，電池質(zhì)量和體積就越小，而能量密度卻越高，與其他電池的原理相反。

據(jù)報(bào)道，該電池已于2013年被授權(quán)實(shí)用新型專(zhuān)利，2014年發(fā)明專(zhuān)利也已進(jìn)入實(shí)審期。將來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化后，第一代電動(dòng)車(chē)可續(xù)航500 km，第二代則可實(shí)現(xiàn)1 000 km。

3 結(jié)語(yǔ)

目前，我國(guó)正加大對(duì)新能源汽車(chē)用新型動(dòng)力電池的開(kāi)發(fā)力度，并對(duì)購(gòu)買(mǎi)電動(dòng)汽車(chē)實(shí)行一定的優(yōu)惠政策，這非常有利于我國(guó)新能源汽車(chē)的發(fā)展。為了促進(jìn)我國(guó)電動(dòng)汽產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，可借鑒國(guó)外的成功經(jīng)驗(yàn)，以整車(chē)廠為主導(dǎo)，與電池、汽車(chē)配件及主要纖維材料生產(chǎn)商等進(jìn)行緊密協(xié)作。

參考文獻(xiàn)（略）