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複合材料端末市場:新エネルギー電池

2022-02-23 144
電池電気自動車の生産量が増加すると同時に、燃料電池自動車も急速に成長すると予想されており、両者とも複合材料とその成形技術の新たな進展を推進している。
 

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左はPEM燃料電池膜と双極板(写真はダイムラー社提供)、右はエポキシSMCカバーを採用した電気自動車の電池ボックス(写真は勝創氏提供)


今日は、まず新エネルギー電池分野の複合材料の応用を見てみましょう。

バッテリー電気自動車の発展が急速に進んでいる

水素燃料電池は成長の原動力を得ているが、自動車業界は依然として電池エネルギーに注目している。国際エネルギー庁(IEA)によると、2020年に販売される電気自動車(EVs)は約300万台で、Canalys.comが2021年8月に発表した報告書によると、2021年上半期に世界各地に販売された電気自動車(EVs)は約260万台で、2020年上半期の販売台数の160%以上に達した。

 

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TRB Lightweight Structures公司制造的CFRP电池盒
 

バッテリーボックスの軽量化により、複合材料は重いバッテリー重量を相殺するのに役立ちます。一例として、英国TRB Lightweight Structures社(以下、TRB)が開発したCFRPバッテリーボックスが挙げられる。これらのバッテリーボックスにはそれぞれ74 kWのバッテリーが6個付いており、バッテリーボックスを含む各バッテリーの重量は550 kgである。しかし、全体の重量要件を満たすために、バッテリーボックスは15 kgしかなく、これは以前の64 kgのアルミニウムバッテリーボックスと比較して、重量が著しく低下した。米国での製造や年間生産量4万点を含む他の要求に応えるため、TRBは豊田通商アメリカ社と合弁で、米ケンタッキー州リッチモンドに高面重の炭素繊維織物を用いて2 mを製造する専門の生産工場を建設した×1 mサイズのバッテリーボックス。この工場の内部では、まず2 min硬化エポキシ樹脂を用いて織物を予備浸漬し、すぐに予備浸漬材を切断し、ピックアップ−セットロボットを用いて切断した予備浸漬材を自動的にマッチングした金型に入れ、迅速なプレス硬化(FPC)加工を行い、サイクル時間は11 minである。成形された部品は、トリム、接着インサート、セットワッシャを含むロボット操作によって後続の加工と組み立てられます。この構成要素の設計は、断熱、電気絶縁、および電磁遮蔽のために、下筐体上に追加の層を追加することも含む。このプロジェクトは2021年に全面的に生産を開始する予定であると同時に、TRBは他の潜在顧客とより多くの中・高生産量のバッテリーボックス生産プロジェクトについて検討している。

 

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大陸構造プラスチック(CSP)は2012年以来、複合材料の電池ケースを設計、製造してきたが、最近、同社は完全な電池ケースをカバーする製品ポートフォリオを拡大している(写真はCSPより)
 
一方、米IDI複合材料国際会社は、バッテリーボックスシステムを生産するために設計された電気自動車(EV)と新エネルギー自動車(NEV)市場向けに新たな繊維強化と樹脂複合材料Flamevexを発売した。
 

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IDI複合材インターナショナル社のFlamevex材料を用いた電気自動車用バッテリーボックス(画像はIDI複合材インターナショナル社)
 
バッテリーボックス製造のために新たに開発された複合材料

2021年5月、炭素繊維メーカーの東レ工業は、炭素繊維強化プラスチック(CFRP)の放熱性能を金属のレベルまで向上させる高熱伝導率技術を開発したと発表した。この技術をCFRPに用い、材料内部の熱伝導により効率的に熱を放出することができる。これにより、モバイルアプリケーションにおけるバッテリの劣化を抑制しつつ、電子機器アプリケーションにおける性能を向上させることができる。東レのこのブレークスルーは、電池や電子回路からの熱を効率的に放出しながらCFRPを利用して減量を実現するための技術案を提供している。同社は、その技術を採用したCFRPの応用には、軽量化と放熱性能に要求される先進的な乗り物、モバイル電子機器、ウェアラブルデバイスなどが含まれると予想している。

 

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ドイツ航空宇宙センター軽量化生産技術センターがT-RTM技術を用いて生産した電池ケースカバーの挑戦的な部品(写真はドイツ航空宇宙センター軽量化生産技術センターより)
 

米国Technical Fibre Products(以下:TFP)社は長年にわたり、電磁干渉(EMI)遮蔽性、導電性、反射性、耐摩耗性、または防火性を高めるために層間および複合材料部品の表面に使用されてきた複数の材料の不織布ベールを供給してきた。同社の技術ディレクターNigel Walker氏が説明するように、バッテリーボックスは電磁妨害を防止し、火勢を抑えることができ、それを実現しながら軽量化を保証し、複合材料で製造することができる。多くの電気自動車メーカーが金属電池ボックスの使用を放棄して軽量な複合材料の採用に転向するにつれて、いくつかの予期せぬ結果は金属基の耐火性または電磁遮蔽性能を失うことを含む可能性がある。「例えば、部品の必要な重量と厚さを維持しながら、車内の他のシステムを妨げることなく電気エネルギーを遮蔽するニッケルめっき材料を薄く追加することができます」。TFPのJohn Haaland会長は述べた。「これは多機能特性の良い例です。」ウォーカーは付け加えた。

 

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ZRT/PPS薄膜を熱成形して作製した複雑な微凹構造(最小特徴寸法0.5 mm)により、非金属熱交換器におけるこのパネルの熱伝達面積と効率が増加した(写真はBoston Materialsより)
 
多機能バッテリーボックスのほか、スウェーデンのチャールムス工科大学のLeif Asp教授が率いるチームは、構造的特徴とエネルギー貯蔵を提供できる多電池積層板である炭素繊維複合材料から作られた構造電池を開発している。Aspとそのチームが2021年1月の新聞に発表した「先進的なエネルギーと持続可能な研究」論文によると、チャールムス工科大学の電池はこれまでの設計に基づいて構築され、電解質に基づく基質材料に炭素繊維を含む陰極とアルミニウム膜陽極、ガラス繊維の分離層である。現在の設計は24 Wh/kgまでのエネルギー密度を示している。2021年5月に行われたウェブセミナーで、Asp氏は、研究者たちがエネルギー密度の向上や曲面構造の開発に取り組んでいることを明らかにした。彼の考えによれば、このタイプの電池は自動車や航空機の内部で局所的なエネルギー貯蔵を行うために使用することができる。


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