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锂电池迎来“碳”时代:石墨烯效力惊人

导读: 碳纤维复合材料在汽车中应用的前景可期,特别是在豪华车和超豪华车的细分市场。碳系,“后摩尔时代”的接班者碳纤维只是碳系家族的一个成员,石墨烯也是碳系家族的一员。将石墨烯运用于锂离子电池,充满一次手机电池大概只需要5秒钟。

  没有震耳欲聋机器冲压钢板的声音,也没有火花四溅的汽车焊装线,与常见的汽车装配工厂完全不同,在德国一家知名汽车企业在莱比锡的电动汽车制造工厂,记者见到的是另一番景象。

  这里生产的电动汽车,采用铝合金做底盘、碳纤维做车身、塑料注塑件做蒙皮,没有传统的电焊工艺,车身是用特制的胶水粘起来的。这是一个没有冲压车间和焊接车间,完全采用新材料、新技术、新工艺生产新能源汽车的工厂。没有噪声的车间作为这家德国豪华车企的第一款纯电动汽车,其装配了一组22千瓦时的锂离子电池和一台电动机,最大功率170马力,峰值扭矩250牛米。其最高车速可达150公里/小时,续航里程在150公里左右。这款电动车使用家用220V电源充电,8小时可充满。而利用专用充电装置下充电只需1个小时。与一些电动车采取与传统能源车相同的制造工艺不同,这款车采用了大量新材料,其中最具看点的是用碳纤维材料制作的车身——其重量仅为铁的四分之一,强度却是铁的10倍。通常情况下,车身自重约消耗70%的燃油,因此降低汽车油耗的首要问题就是减轻汽车自重。日本的碳纤维制造协会曾经做过一个关于碳纤维生命周期的测试,采用碳纤维加固的汽车因减轻了自身重量,不仅燃料应用效率极大提高,而且间接地降低二氧化碳排放。同时,还能提升电池的续航能力并降低电力消耗。这种碳纤维增强复合材料,由该汽车公司和德国西格里公司联合开发,以基于聚丙烯腈的热塑性纺织纤维为原材料,在一定的压力和温度下,转化成极为细长的碳纤维丝线,最后再经过相应的氧化和碳化处理,形成碳纤维车身材料。

  记者在莱比锡工厂车间里看到,车身的各个碳纤维部件单独成型后,再用特制的胶水粘贴起来。机器人在娴熟地涂抹胶水、自动更换涂胶水的海绵头——没有噪音、没有火花。装配车身使用的胶水也是特制的,可以快速硬化,仅仅用几秒钟就可以把两个部件牢牢地粘合在一起。而这种胶水的配方至今还是机密。采用碳纤维车身和塑料蒙皮的这款纯电动车安全性如何?莱比锡工厂方面介绍说,经过测试,其安全性能丝毫不逊色于传统能源汽车,而且在行人保护方面更有意想不到的效果。未来豪华电动车的标配据日本东丽经营研究所统计数据,碳纤维的全球市场需求在2011年约为4万吨,其中用于汽车的碳纤维为2000吨左右。而这一数字自2015年左右起将不断扩大,到2020年将达到数万吨。德国西格里公司是世界上最大的碳和石墨产品生产商,在汽车零部件供应领域具有重要的战略地位,该公司在美国西雅图拥有一家生产碳化纤维的合资公司。

  2011年11月,宝马汽车宣布购入西格里15.16%的股份,在之后不到一个月的时间内,宝马又再度增持西格里15.7%的股份。2012年,宝马宣布联手美国波音航空公司共同开发碳纤维技术,分别用于各自的汽车和航空制造行业。2013年,美国《商业周刊》报道称,宝马在美国华盛顿州再度投资1亿美元用于生产该公司电动车的碳纤维材料。在亚洲,日本东丽、丰田和东京大学等已经在联手开发全面采用重量轻、强度高的碳纤维汽车,推进加工技术等的研究。预计最早到2020年,重量减轻6成、安全性更高的新能源汽车将全面投入实际应用。据《日本经济新闻》报道,向波音787客机提供碳纤维增强树脂基复合材料的日本东丽集团,于2012年斥资近700亿日元,收购了世界碳纤维排名第三的美国卓尔泰克公司,东丽藉此一跃成为全球最大的碳纤维供应商,将产品的全球份额提高到30%。目前,碳纤维的最大缺点是价格相对昂贵,是钢铁价格的数倍到数十倍,因此普及率低。东丽并购卓尔泰克,旨在开拓廉价碳纤维领域。在东丽的带领下,全球第二大碳纤维厂商日本帝人和第四大厂商日本三菱丽阳,也已经开始扩大产能。业内人士分析指出,碳纤维复合材料在汽车中应用的前景可期,特别是在豪华车和超豪华车的细分市场。碳系,“后摩尔时代”的接班者碳纤维只是碳系家族的一个成员,石墨烯也是碳系家族的一员。将石墨烯运用于锂离子电池,充满一次手机电池大概只需要5秒钟;特斯拉纯电动汽车,充一次电只需5分钟左右。而由石墨烯片层卷曲形成的碳纳米管,也是制造电动车电池的新材料之一。斯坦福的研究人员便成功实现了这一点,他们设计出新的纳米结构,可以极大地增加可充电的次数,足以满足很多商业应用。而沃尔沃汽车已成功研发出采用新蓄电材料的原型车。这种蓄电材料是由多层的碳纤维以及树脂聚合物构成,每一夹层中又有纳米结构的电池以及电容。用超级电容器板替代发动机盖和扭力杆的组合,沃尔沃的工程师就能够替换掉为车载电子供电的12伏电池,同时把重量减半。

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