Artikel ini menyelidiki aplikasi terkini dan kemajuan penelitian komposit serat karbon dalam penyimpanan hidrogen dan wadah baterai untuk kendaraan energi baru. Ini membahas klasifikasi dan tren pengembangan tabung gas bertekanan tinggi dan penutup paket baterai, menganalisis kelebihan dan kekurangan komposit serat karbon, dan mengantisipasi penerapan masa depan dan prospek komposit serat kinerja tinggi di bidang kendaraan energi baru.

Ikhtisar Komposit Serat Karbon

Menggunakan material ringan untuk mengurangi bobot kendaraan telah menjadi metode penting untuk mencapai bobot kendaraan energi baru yang lebih ringan. Dengan terus berkembangnya ilmu material, berbagai komposit serat ringan, seperti komposit yang diperkuat serat kaca dan komposit yang diperkuat serat karbon, telah mulai digunakan di bidang kendaraan energi baru.

Komposit serat karbon, yang dikenal dengan kepadatan rendah, kekuatan tinggi, ketahanan korosi, dan ketahanan lelah, merupakan komposit serat performa tinggi yang paling banyak digunakan di sektor otomotif. Mereka banyak digunakan di berbagai sistem otomotif, seperti pintu dan atap pada bodi mobil, pushrod dan rocker pada sistem mesin, poros penggerak dan bilah kopling pada sistem transmisi, dan komponen sasis seperti rangka bagian bawah bodi mobil dan bagian suspensi.

Dengan pesatnya perkembangan kendaraan energi baru, penyimpanan energi listrik yang aman telah menjadi fokus penelitian utama. Tabung gas bertekanan tinggi untuk kendaraan energi hidrogen dan wadah baterai untuk kendaraan listrik merupakan metode penyimpanan energi utama saat ini. Komposit serat karbon, dengan berbagai keunggulannya, mulai mendapat perhatian di bidang ini.

Pengantar Serat Karbon

Serat karbon umumnya digunakan sebagai bahan penguat, dikombinasikan dengan matriks resin, logam, atau keramik untuk membentuk komposit serat karbon. Gambar 1 menunjukkan contoh kain serat karbon dan profil komposit serat karbon.

Serat karbon mempunyai keunggulan sebagai berikut:

1. Kepadatan rendah dan kekuatan tinggi: Dengan kepadatan hanya 1,5~2,0 g/cm³, kepadatannya sekitar setengah dari paduan aluminium ringan, tetapi 4-5 kali lebih kuat dari baja dan 6-7 kali lebih kuat dari aluminium.

2. Ketahanan suhu tinggi dan suhu rendah: Serat karbon tidak meleleh atau melunak di atmosfer non-oksidasi pada suhu 3000°C dan tidak menjadi rapuh pada suhu nitrogen cair.

3. Konduktivitas listrik yang baik: Pada 25°C, serat karbon modulus tinggi memiliki ketahanan spesifik sebesar 775Ω·cm, sedangkan serat karbon kekuatan tinggi memiliki ketahanan spesifik 1500Ω·cm.

4. Ketahanan korosi asam: Serat karbon menahan korosi dari asam klorida pekat, asam fosfat, dan asam sulfat.

Berdasarkan jenis prekursor, sifat mekanik, dan ukuran ikatan filamen, serat karbon dapat dikategorikan menjadi beberapa jenis, seperti terlihat pada Tabel 1.

Serat karbon biasanya diklasifikasikan berdasarkan sifat mekaniknya, terutama kekuatan tarik dan modulusnya. Tipe kekuatan tinggi memiliki kekuatan 2000 MPa dan modulus 250 GPa, sedangkan tipe modulus tinggi melebihi 300 GPa. Tipe kekuatan ultra-tinggi memiliki kekuatan lebih besar dari 4000 MPa, dan tipe modulus ultra-tinggi memiliki modulus lebih besar dari 450 GPa.

Penerapan Komposit Serat Karbon Saat Ini di Bidang Otomotif

Dengan meningkatnya permintaan akan energi ramah lingkungan dan efisiensi, tingkat bobot otomotif terus meningkat. Menurut data Asosiasi Aluminium Eropa, pengurangan bobot kendaraan sebesar 10% dapat meningkatkan efisiensi energi sebesar 6% hingga 8% dan mengurangi emisi polutan sebesar 10% per 100 kilometer. Untuk kendaraan energi baru, mengurangi bobot sebanyak 100 kg dapat meningkatkan jangkauannya sekitar 6% hingga 11%.

Komposit serat karbon yang ringan dan berkekuatan tinggi memiliki beragam aplikasi pada mobil. Tabel 2 mencantumkan beberapa model kendaraan yang menggunakan komposit serat karbon, dan Gambar 2 menunjukkan ukuran pasar dan perkiraan pasar serat karbon otomotif global, yang diperkirakan akan mencapai 20.100 ton pada tahun 2025.

Penerapan Komposit Serat Karbon dalam Penyimpanan Hidrogen

Karena kekuatannya yang tinggi, ketahanan terhadap korosi, ketahanan lelah, ketahanan api yang baik, dan stabilitas dimensi, komposit serat karbon adalah bahan yang ideal untuk penyimpanan hidrogen pada kendaraan energi baru dan wadah baterai yang ringan.

Tangki Penyimpanan Hidrogen Bertekanan Tinggi

Tabung gas bertekanan tinggi adalah metode penyimpanan hidrogen yang banyak diadopsi oleh produsen domestik dan internasional. Tergantung pada bahannya, tangki penyimpanan hidrogen bertekanan tinggi diklasifikasikan menjadi Tipe I, II, III, dan IV, masing-masing terbuat dari baja murni, lapisan baja dengan pembungkus serat, lapisan logam dengan pembungkus serat, dan lapisan plastik dengan pembungkus serat, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.

Tabel 3 membandingkan kinerja berbagai jenis tangki penyimpanan hidrogen. Penyimpanan hidrogen bertekanan tinggi dapat dibagi menjadi penyimpanan bertekanan tinggi tetap, penyimpanan bertekanan tinggi ringan yang dipasang di kendaraan, dan penyimpanan bertekanan tinggi untuk transportasi. Tangki penyimpanan tetap bertekanan tinggi, biasanya tangki hidrogen baja dan bejana bertekanan baja, terutama digunakan di stasiun pengisian bahan bakar hidrogen, menawarkan biaya rendah dan pengembangan yang matang.

Tangki penyimpanan ringan bertekanan tinggi yang dipasang di kendaraan terutama menggunakan paduan aluminium atau lapisan plastik dengan pembungkus serat karbon untuk meningkatkan kekuatan struktural dan mengurangi berat keseluruhan. Secara internasional, tangki Tipe IV berbalut serat karbon 70 MPa banyak digunakan pada kendaraan sel bahan bakar hidrogen, sedangkan di dalam negeri, tangki Tipe III berbalut serat karbon 35 MPa lebih umum digunakan, dan penggunaan tangki Tipe III berbalut serat karbon 70 MPa lebih sedikit.

Komposit Serat Karbon dalam Tangki Penyimpanan Hidrogen Tekanan Tinggi yang Dipasang di Kendaraan

Tangki Tipe III dan IV adalah tangki utama untuk penyimpanan hidrogen bertekanan tinggi yang dipasang di kendaraan, yang sebagian besar terdiri dari lapisan dan lapisan yang dibungkus serat. Gambar 4 menunjukkan penampang tangki penyimpanan hidrogen tekanan tinggi komposit serat karbon Tipe IV. Komposit serat, yang digulung secara heliks dan berbentuk lingkaran di sekitar liner, terutama meningkatkan kekuatan struktural liner.

Saat ini, serat yang umum digunakan dalam tangki penyimpanan hidrogen bertekanan tinggi yang dipasang di kendaraan meliputi serat karbon, serat kaca, serat silikon karbida, serat aluminium oksida, serat aramid, dan serat poli(p-fenilena benzobisoksazol). Diantaranya, serat karbon secara bertahap menjadi bahan serat utama karena sifatnya yang sangat baik.

Di dalam negeri, pengembangan tangki penyimpanan hidrogen bertekanan tinggi masih tertinggal dibandingkan kemajuan internasional. Amerika Serikat, Kanada, dan Jepang telah mencapai produksi massal tangki penyimpanan hidrogen 70 MPa dan mulai menggunakan tangki Tipe IV. Perusahaan AS seperti General Motors meningkatkan struktur lapisan yang terbungkus serat karbon, sementara Dynetek dari Kanada memperbaiki lapisan belitan dan transisi, sehingga meningkatkan kekuatan komposit serat karbon dengan matriks resin. Namun, karena masalah seperti penyegelan plastik dan logam, peraturan Tiongkok saat ini tidak mengizinkan penggunaannya secara luas.

Institusi dalam negeri seperti Universitas Zhejiang dan Universitas Tongji telah berhasil mengembangkan tangki penyimpanan hidrogen 70 MPa, dan perusahaan seperti Blue Sky Energy di bawah Bohong Energy telah menembus sistem penyimpanan hidrogen kendaraan 70 MPa. Selain itu, perusahaan seperti Shenyang Starling, Beijing Ketaike, dan Beijing Tianhai juga telah mengembangkan dan menguji tangki penyimpanan hidrogen 70 MPa.

Karena teknologi yang belum matang dan kesulitan dalam produksi massal tangki Tipe IV terbungkus serat karbon 70 MPa di dalam negeri, biaya persiapan yang tinggi sangat menghambat permintaan dan pengembangan tangki Tipe IV. Menurut penelitian Dewan Riset Otomotif AS, semakin besar skala produksi tangki penyimpanan hidrogen bertekanan tinggi, semakin rendah biayanya. Ketika skala produksi meningkat dari 10.000 menjadi 500.000 set, biaya bisa turun seperlima. Oleh karena itu, dengan kemajuan teknologi persiapan dan perluasan skala produksi, tangki penyimpanan hidrogen bertekanan tinggi yang dipasang di kendaraan berbalut serat karbon tingkat tinggi pasti akan bersinar di masa depan.

Penerapan Komposit Serat Karbon pada Penutup Paket Baterai

Pengembangan Penutup Paket Baterai

Stabilitas dan keamanan baterai energi baru selalu menjadi perhatian utama. Penutup paket baterai adalah komponen kunci dari sistem baterai kendaraan energi baru, yang berkaitan erat dengan sistem kelistrikan dan keselamatan kendaraan. Paket baterai daya, yang ditutupi oleh penutup, membentuk bagian utama paket baterai.

Penutup paket baterai memainkan peran penting dalam pengoperasian dan perlindungan modul baterai yang aman, membutuhkan bahan dengan ketahanan korosi, isolasi, ketahanan terhadap dampak normal dan suhu rendah (-25°C), dan tahan api. Gambar 5 menunjukkan paket baterai daya kendaraan energi baru dan dekomposisinya.

Sebagai pembawa modul baterai, penutup paket baterai memastikan pengoperasian yang stabil dan perlindungan keselamatan modul baterai, umumnya dipasang di bagian bawah kendaraan untuk melindungi baterai litium dari kerusakan akibat benturan dan kompresi eksternal. Penutup baterai kendaraan tradisional dibuat dari bahan seperti pelat baja dan paduan aluminium, dengan lapisan permukaan untuk perlindungan. Dengan berkembangnya kendaraan hemat energi dan ringan, material penutup baterai telah menjadi alternatif yang ringan seperti komposit yang diperkuat serat kaca, senyawa cetakan lembaran, dan komposit yang diperkuat serat karbon.

Penutup paket baterai baja adalah bahan asli yang digunakan untuk paket baterai daya, biasanya terbuat dari pelat baja yang dilas, menawarkan kekuatan dan kekakuan tinggi tetapi juga kepadatan dan massa tinggi, sehingga memerlukan proses perlindungan korosi tambahan. Penutup paduan aluminium adalah bahan utama untuk paket baterai daya, menawarkan bobot yang ringan (hanya 35% kepadatan baja), pemrosesan dan pembentukan yang mudah, dan ketahanan terhadap korosi.

Dengan berkembangnya kendaraan ringan dan kemajuan teknologi cetakan plastik termoset, plastik dan komposit baru secara bertahap digunakan sebagai bahan penutup baterai. Penutup paket baterai plastik termoset berbobot 35 kg, sekitar 35% lebih ringan dari penutup logam, dan dapat membawa 340 kg baterai.

Prospek Komposit Serat Karbon dalam Penutup Paket Baterai

Komposit serat karbon, dengan berbagai keunggulannya, telah menjadi pengganti ideal untuk penutup baterai logam tradisional dan telah diterapkan pada beberapa model kendaraan. Misalnya, NIO, bekerja sama dengan SGL Carbon dari Jerman, mengembangkan paket baterai serat karbon 84 kWh, yang mengurangi bobot cangkang sebesar 40% dibandingkan struktur aluminium, dengan kepadatan energi melebihi 180 (W·h)/kg. Institut Teknologi Canggih Tianjin dan Lishen bersama-sama mengembangkan wadah paket baterai komposit serat karbon dengan berat sekitar 24 kg, mengurangi bobot sebesar 50% dibandingkan struktur paduan aluminium, dengan kepadatan energi hingga 210 (W·h)/kg.

Peneliti seperti Duan Duanxiang dkk. telah melakukan desain ringan dan optimalisasi proses lapis untuk penutup paket baterai komposit serat karbon, mengurangi berat penutup sebesar 66% dibandingkan dengan struktur baja sekaligus memenuhi kondisi kerja yang relevan. Zhao Xiaoyu dkk. menggunakan komposit serat karbon dan metode desain setara kekakuan untuk penutup paket baterai yang ringan, mencapai pengurangan berat sebesar 64% hingga 67,6% dibandingkan dengan struktur baja.

LIU dkk. mengatasi masalah desain ringan penutup atas paket baterai komposit serat karbon menggunakan metode RBDO, mencapai pengurangan berat sebesar 22,14% sekaligus memenuhi persyaratan kinerja. Tan Lizhong dkk. membandingkan tiga solusi: penutup atas aluminium setebal 1,5 mm (Skema 1), penutup atas serat karbon setebal 1,5 mm (Skema 2), dan serat karbon 0,5 mm panel sarang lebah setebal 3 mm penutup atas komposit serat karbon setebal 0,5 mm (Skema 3). Mereka menemukan bahwa Skema 3 optimal, mengurangi bobot sebesar 31% dibandingkan Skema 1.

Tangki berbalut serat berlapis logam (Tipe III) dan tangki berbalut serat berlapis plastik (Tipe IV) adalah tabung gas terbungkus komposit serat yang umum digunakan. Serat seperti serat kaca, serat silikon karbida, serat aluminium oksida, serat boron, serat karbon, serat aramid, dan serat poli(p-fenilena benzobisoksazol) telah digunakan untuk memproduksi tabung gas yang dibungkus komposit serat. Komposit serat yang ringan, tahan benturan, dan tahan api juga diharapkan menjadi material penting untuk wadah baterai ringan di masa depan.

Namun, karena keterbatasan biaya, komposit serat berkinerja tinggi yang didominasi oleh komposit serat karbon belum banyak diterapkan pada wadah paket baterai. Dipercaya bahwa dengan berkembangnya energi baru dan perluasan aplikasi komposit serat, biaya penggunaan komposit serat akan menurun secara bertahap. Komposit serat akan bersinar di pasar energi baru di masa depan.