यह लेख नई ऊर्जा वाहनों के लिए हाइड्रोजन भंडारण और बैटरी पैक बाड़ों में कार्बन फाइबर कंपोजिट के वर्तमान अनुप्रयोगों और अनुसंधान प्रगति की जांच करता है। यह उच्च दबाव वाले गैस सिलेंडर और बैटरी पैक बाड़ों के वर्गीकरण और विकास के रुझानों पर चर्चा करता है, कार्बन फाइबर कंपोजिट के फायदे और नुकसान का विश्लेषण करता है, और नई ऊर्जा वाहनों के क्षेत्र में उच्च प्रदर्शन फाइबर कंपोजिट के भविष्य के अनुप्रयोगों और संभावनाओं का अनुमान लगाता है।

कार्बन फाइबर कंपोजिट का अवलोकन

वाहन के वजन को कम करने के लिए हल्के पदार्थों का उपयोग करना नई ऊर्जा वाहनों को हल्का करने का एक महत्वपूर्ण तरीका बन गया है। सामग्री विज्ञान में निरंतर विकास के साथ, विभिन्न हल्के फाइबर कंपोजिट, जैसे ग्लास फाइबर-प्रबलित कंपोजिट और कार्बन फाइबर-प्रबलित कंपोजिट, का उपयोग नई ऊर्जा वाहनों के क्षेत्र में किया जाने लगा है।

कार्बन फाइबर कंपोजिट, जो अपने कम घनत्व, उच्च शक्ति, संक्षारण प्रतिरोध और थकान प्रतिरोध के लिए जाना जाता है, ऑटोमोटिव क्षेत्र में सबसे व्यापक रूप से उपयोग किए जाने वाले उच्च-प्रदर्शन फाइबर कंपोजिट हैं। इनका उपयोग विभिन्न ऑटोमोटिव प्रणालियों में बड़े पैमाने पर किया जाता है, जैसे कार बॉडी में दरवाजे और छत, इंजन सिस्टम में पुशरोड और रॉकर, ट्रांसमिशन सिस्टम में ड्राइव शाफ्ट और क्लच ब्लेड, और अंडरबॉडी फ्रेम और सस्पेंशन पार्ट्स जैसे चेसिस घटक।

नई ऊर्जा वाहनों के तेजी से विकास के साथ, उनकी ऊर्जा ऊर्जा का सुरक्षित भंडारण एक प्रमुख अनुसंधान फोकस बन गया है। हाइड्रोजन ऊर्जा वाहनों के लिए उच्च दबाव वाले गैस सिलेंडर और इलेक्ट्रिक वाहनों के लिए बैटरी पैक बाड़े वर्तमान में मुख्य ऊर्जा भंडारण विधियां हैं। कार्बन फाइबर कंपोजिट, अपने असंख्य फायदों के साथ, इस क्षेत्र में प्रमुखता हासिल करना शुरू कर रहे हैं।

कार्बन फाइबर का परिचय

कार्बन फाइबर को आम तौर पर सुदृढीकरण सामग्री के रूप में उपयोग किया जाता है, जो कार्बन फाइबर कंपोजिट बनाने के लिए राल, धातु या सिरेमिक मैट्रिसेस के साथ संयुक्त होता है। चित्र 1 कार्बन फाइबर फैब्रिक और कार्बन फाइबर मिश्रित प्रोफाइल के उदाहरण दिखाता है।

कार्बन फाइबर के निम्नलिखित फायदे हैं:

1. कम घनत्व और उच्च शक्ति: केवल 1.5~2.0 ग्राम/सेमी³ के घनत्व के साथ, वे हल्के एल्यूमीनियम मिश्र धातुओं के घनत्व का लगभग आधा हैं, लेकिन स्टील से 4-5 गुना और एल्यूमीनियम से 6-7 गुना अधिक मजबूत हैं।

2. उच्च तापमान और निम्न-तापमान प्रतिरोध: कार्बन फाइबर 3000°C पर गैर-ऑक्सीकरण वाले वातावरण में पिघलते या नरम नहीं होते हैं और तरल नाइट्रोजन तापमान पर भंगुर नहीं होते हैं।

3. अच्छी विद्युत चालकता: 25°C पर, उच्च मापांक कार्बन फाइबर का विशिष्ट प्रतिरोध 775Ω·सेमी होता है, जबकि उच्च शक्ति कार्बन फाइबर का विशिष्ट प्रतिरोध 1500Ω·सेमी होता है।

4. एसिड संक्षारण प्रतिरोध: कार्बन फाइबर केंद्रित हाइड्रोक्लोरिक एसिड, फॉस्फोरिक एसिड और सल्फ्यूरिक एसिड से संक्षारण का विरोध करते हैं।

पूर्ववर्ती प्रकार, यांत्रिक गुणों और फिलामेंट बंडल आकार के आधार पर, कार्बन फाइबर को कई प्रकारों में वर्गीकृत किया जा सकता है, जैसा कि तालिका 1 में दिखाया गया है।

कार्बन फाइबर को आम तौर पर उनके यांत्रिक गुणों, मुख्य रूप से तन्य शक्ति और मापांक द्वारा वर्गीकृत किया जाता है। उच्च-शक्ति प्रकारों की ताकत 2000 एमपीए और मापांक 250 जीपीए है, जबकि उच्च-शक्ति प्रकारों की क्षमता 300 जीपीए से अधिक है। अल्ट्रा-हाई स्ट्रेंथ प्रकारों की ताकत 4000 एमपीए से अधिक होती है, और अल्ट्रा-हाई मॉड्यूलस प्रकारों की मॉड्यूलस 450 जीपीए से अधिक होती है।

ऑटोमोटिव क्षेत्र में कार्बन फाइबर कंपोजिट के वर्तमान अनुप्रयोग

हरित ऊर्जा और दक्षता की बढ़ती माँगों के साथ, ऑटोमोटिव लाइटवेटिंग का स्तर लगातार बढ़ रहा है। यूरोपीय एल्युमीनियम एसोसिएशन के आंकड़ों के अनुसार, किसी वाहन का वजन 10% कम करने से ऊर्जा दक्षता में 6% से 8% तक सुधार हो सकता है और प्रति 100 किलोमीटर पर प्रदूषक उत्सर्जन में 10% की कमी आ सकती है। नई ऊर्जा वाहनों के लिए, 100 किलोग्राम वजन कम करने से उनकी सीमा लगभग 6% से 11% तक बढ़ सकती है।

हल्के और उच्च शक्ति वाले कार्बन फाइबर कंपोजिट का ऑटोमोबाइल में अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला है। तालिका 2 में कुछ वाहन मॉडल सूचीबद्ध हैं जो कार्बन फाइबर कंपोजिट का उपयोग करते हैं, और चित्र 2 वैश्विक ऑटोमोटिव कार्बन फाइबर बाजार का बाजार आकार और पूर्वानुमान दिखाता है, जिसके 2025 तक 20,100 टन तक पहुंचने की उम्मीद है।

हाइड्रोजन भंडारण में कार्बन फाइबर कंपोजिट के अनुप्रयोग

अपनी उच्च शक्ति, संक्षारण प्रतिरोध, थकान प्रतिरोध, अच्छी लौ मंदता और आयामी स्थिरता के कारण, कार्बन फाइबर कंपोजिट नई ऊर्जा वाहनों और हल्के बैटरी पैक बाड़ों में हाइड्रोजन भंडारण के लिए आदर्श सामग्री हैं।

उच्च दबाव हाइड्रोजन भंडारण टैंक

उच्च दबाव वाले गैस सिलेंडर घरेलू और अंतर्राष्ट्रीय निर्माताओं द्वारा हाइड्रोजन भंडारण के लिए व्यापक रूप से अपनाई जाने वाली विधि है। सामग्रियों के आधार पर, उच्च दबाव वाले हाइड्रोजन भंडारण टैंकों को क्रमशः प्रकार I, द्वितीय, तृतीय और चतुर्थ में वर्गीकृत किया जाता है, जो शुद्ध स्टील, फाइबर रैपिंग के साथ स्टील लाइनर, फाइबर रैपिंग के साथ धातु लाइनर और फाइबर रैपिंग के साथ प्लास्टिक लाइनर से बने होते हैं। जैसा कि चित्र 3 में दिखाया गया है।

तालिका 3 विभिन्न प्रकार के हाइड्रोजन भंडारण टैंकों के प्रदर्शन की तुलना करती है। उच्च दबाव वाले हाइड्रोजन भंडारण को निश्चित उच्च दबाव भंडारण, हल्के वाहन पर लगे उच्च दबाव भंडारण और परिवहन उच्च दबाव भंडारण में विभाजित किया जा सकता है। स्थिर उच्च दबाव भंडारण टैंक, आमतौर पर स्टील हाइड्रोजन टैंक और स्टील दबाव वाहिकाओं, मुख्य रूप से हाइड्रोजन ईंधन भरने वाले स्टेशनों पर उपयोग किए जाते हैं, जो कम लागत और परिपक्व विकास की पेशकश करते हैं।

वाहन पर लगे हल्के उच्च दबाव वाले भंडारण टैंक मुख्य रूप से संरचनात्मक ताकत बढ़ाने और समग्र वजन को कम करने के लिए कार्बन फाइबर रैपिंग के साथ एल्यूमीनियम मिश्र धातु या प्लास्टिक लाइनर का उपयोग करते हैं। अंतरराष्ट्रीय स्तर पर, 70 एमपीए कार्बन फाइबर-लिपटे प्रकार चतुर्थ टैंक व्यापक रूप से हाइड्रोजन ईंधन सेल वाहनों में उपयोग किए जाते हैं, जबकि घरेलू स्तर पर, 35 एमपीए कार्बन फाइबर-लिपटे प्रकार तृतीय टैंक अधिक आम हैं, 70 एमपीए कार्बन फाइबर-लिपटे प्रकार तृतीय टैंक के लिए कम अनुप्रयोग होते हैं।

वाहन पर लगे उच्च दबाव वाले हाइड्रोजन भंडारण टैंक में कार्बन फाइबर कंपोजिट

प्रकार तृतीय और चतुर्थ टैंक वाहन पर लगे उच्च दबाव वाले हाइड्रोजन भंडारण के लिए मुख्य धारा हैं, जिनमें मुख्य रूप से लाइनर और फाइबर-लिपटे परतें शामिल हैं। चित्र 4 कार्बन फाइबर मिश्रित प्रकार चतुर्थ उच्च दबाव हाइड्रोजन भंडारण टैंक का एक क्रॉस-सेक्शन दिखाता है। फाइबर कंपोजिट, लाइनर के चारों ओर हेलिकली और घेरा-वार घाव करते हैं, मुख्य रूप से लाइनर की संरचनात्मक ताकत बढ़ाते हैं।

वर्तमान में, वाहन पर लगे उच्च दबाव वाले हाइड्रोजन भंडारण टैंकों में उपयोग किए जाने वाले सामान्य फाइबर में कार्बन फाइबर, ग्लास फाइबर, सिलिकॉन कार्बाइड फाइबर, एल्यूमीनियम ऑक्साइड फाइबर, एरामिड फाइबर और पॉली (पी-फेनिलीन बेंज़ोबिसोक्साज़ोल) फाइबर शामिल हैं। इनमें से, कार्बन फाइबर अपने उत्कृष्ट गुणों के कारण धीरे-धीरे मुख्यधारा की फाइबर सामग्री बन रहे हैं।

घरेलू स्तर पर, उच्च दबाव वाले हाइड्रोजन भंडारण टैंक का विकास अंतरराष्ट्रीय प्रगति से पीछे है। संयुक्त राज्य अमेरिका, कनाडा और जापान ने 70 एमपीए हाइड्रोजन भंडारण टैंकों का बड़े पैमाने पर उत्पादन हासिल कर लिया है और टाइप चतुर्थ टैंकों का उपयोग शुरू कर दिया है। जनरल मोटर्स जैसी अमेरिकी कंपनियां कार्बन फाइबर से लिपटी परतों की संरचना को बढ़ाती हैं, जबकि कनाडा की डायनेटेक वाइंडिंग और संक्रमण परतों में सुधार करती है, जिससे रेजिन मैट्रिसेस के साथ कार्बन फाइबर की समग्र ताकत बढ़ती है। हालाँकि, प्लास्टिक और धातु सीलिंग जैसे मुद्दों के कारण, चीनी नियम वर्तमान में उनके व्यापक उपयोग की अनुमति नहीं देते हैं।

झेजियांग विश्वविद्यालय और टोंगजी विश्वविद्यालय जैसे घरेलू संस्थानों ने सफलतापूर्वक 70 एमपीए हाइड्रोजन भंडारण टैंक विकसित किए हैं, और बोहोंग एनर्जी के तहत ब्लू स्काई एनर्जी जैसी कंपनियों ने 70 एमपीए वाहन हाइड्रोजन भंडारण प्रणाली को तोड़ दिया है। इसके अतिरिक्त, शेनयांग स्टार्लिंग, बीजिंग केटाइक और बीजिंग तियानहाई जैसी कंपनियों ने भी 70 एमपीए हाइड्रोजन भंडारण टैंक विकसित और परीक्षण किए हैं।

अपरिपक्व तकनीक और घरेलू स्तर पर 70 एमपीए कार्बन फाइबर से लिपटे टाइप चतुर्थ टैंकों के बड़े पैमाने पर उत्पादन में कठिनाई के कारण, उच्च तैयारी लागत टाइप चतुर्थ टैंकों की मांग और विकास को काफी हद तक बाधित करती है। यू.एस. ऑटोमोटिव रिसर्च काउंसिल के शोध के अनुसार, उच्च दबाव वाले हाइड्रोजन भंडारण टैंकों का उत्पादन पैमाना जितना बड़ा होगा, लागत उतनी ही कम होगी। जब उत्पादन का पैमाना 10,000 से 500,000 सेट तक बढ़ जाता है, तो लागत पांचवें हिस्से तक गिर सकती है। इसलिए, तैयारी प्रौद्योगिकी की प्रगति और उत्पादन पैमाने के विस्तार के साथ, उच्च स्तरीय कार्बन फाइबर-लिपटे वाहन-घुड़सवार उच्च दबाव हाइड्रोजन भंडारण टैंक भविष्य में चमकने के लिए बाध्य हैं।

बैटरी पैक बाड़ों में कार्बन फाइबर कंपोजिट के अनुप्रयोग

बैटरी पैक बाड़ों का विकास

नई ऊर्जा पावर बैटरियों की स्थिरता और सुरक्षा हमेशा चिंता का केंद्र बिंदु रही है। बैटरी पैक बाड़े नई ऊर्जा वाहन बैटरी प्रणाली के प्रमुख घटक हैं, जो विद्युत प्रणाली और वाहन सुरक्षा से निकटता से संबंधित हैं। पावर बैटरी पैक, बाड़े से ढका हुआ, बैटरी पैक का मुख्य भाग बनता है।

बैटरी पैक संलग्नक बैटरी मॉड्यूल के सुरक्षित संचालन और सुरक्षा में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है, जिसके लिए संक्षारण प्रतिरोध, इन्सुलेशन, सामान्य और कम तापमान प्रभावों के प्रतिरोध (-25°C), और लौ मंदता वाली सामग्री की आवश्यकता होती है। चित्र 5 एक नई ऊर्जा वाहन पावर बैटरी पैक और उसके अपघटन को दर्शाता है।

बैटरी मॉड्यूल के वाहक के रूप में, बैटरी पैक संलग्नक बैटरी मॉड्यूल के स्थिर संचालन और सुरक्षा सुरक्षा को सुनिश्चित करता है, जो आमतौर पर लिथियम बैटरी को बाहरी टकराव और संपीड़न के कारण होने वाले नुकसान से बचाने के लिए वाहन के निचले भाग में स्थापित किया जाता है। पारंपरिक वाहन बैटरी बाड़े सुरक्षा के लिए सतह कोटिंग के साथ स्टील प्लेट और एल्यूमीनियम मिश्र धातु जैसी सामग्रियों से बनाए जाते हैं। ऊर्जा-बचत करने वाले और हल्के वाहनों के विकास के साथ, बैटरी संलग्न सामग्री में ग्लास फाइबर-प्रबलित कंपोजिट, शीट मोल्डिंग कंपाउंड और कार्बन फाइबर-प्रबलित कंपोजिट जैसे हल्के विकल्प देखे गए हैं।

स्टील बैटरी पैक बाड़े पावर बैटरी पैक के लिए उपयोग की जाने वाली मूल सामग्री हैं, जो आमतौर पर वेल्डेड स्टील प्लेटों से बनाई जाती हैं, जो उच्च शक्ति और कठोरता प्रदान करती हैं, लेकिन उच्च घनत्व और द्रव्यमान भी प्रदान करती हैं, जिसके लिए अतिरिक्त संक्षारण सुरक्षा प्रक्रियाओं की आवश्यकता होती है। एल्यूमीनियम मिश्र धातु बाड़े पावर बैटरी पैक के लिए मुख्य सामग्री हैं, जो हल्के वजन (स्टील घनत्व का केवल 35%), आसान प्रसंस्करण और गठन, और संक्षारण प्रतिरोध प्रदान करते हैं।

हल्के वाहनों के विकास और थर्मोसेटिंग प्लास्टिक मोल्डिंग प्रौद्योगिकियों की प्रगति के साथ, नए प्लास्टिक और कंपोजिट का उपयोग धीरे-धीरे बैटरी पैक बाड़े की सामग्री के रूप में किया जा रहा है। थर्मोसेटिंग प्लास्टिक बैटरी पैक बाड़ों का वजन 35 किलोग्राम है, जो धातु के बाड़ों की तुलना में लगभग 35% हल्का है, और 340 किलोग्राम बैटरी ले जा सकता है।

बैटरी पैक बाड़ों में कार्बन फाइबर कंपोजिट की संभावनाएं

कार्बन फाइबर कंपोजिट, अपने कई फायदों के साथ, पारंपरिक धातु बैटरी बाड़ों के लिए आदर्श विकल्प बन गए हैं और कुछ वाहन मॉडलों में पहले से ही प्रारंभिक अनुप्रयोग देखे गए हैं। उदाहरण के लिए, एनआईओ ने जर्मनी के एसजीएल कार्बन के सहयोग से 84 किलोवाट कार्बन फाइबर बैटरी पैक विकसित किया है, जो एल्यूमीनियम संरचनाओं की तुलना में शेल वजन को 40% कम करता है, जिसका ऊर्जा घनत्व 180 (डब्ल्यू%यू00बी7एच)/किलोग्राम से अधिक है। टियांजिन इंस्टीट्यूट ऑफ एडवांस्ड टेक्नोलॉजी और लिशेन ने संयुक्त रूप से लगभग 24 किलोग्राम वजन वाला एक कार्बन फाइबर मिश्रित बैटरी पैक संलग्नक विकसित किया है, जो एल्यूमीनियम मिश्र धातु संरचनाओं की तुलना में वजन को 50% कम करता है, जिसका ऊर्जा घनत्व 210 (W·h)/किग्रा तक है।

डुआन डुआनज़ियांग एट अल जैसे शोधकर्ता। कार्बन फाइबर मिश्रित बैटरी पैक बाड़ों के लिए हल्के डिजाइन और प्लाई प्रक्रिया अनुकूलन का संचालन किया है, जिससे प्रासंगिक कामकाजी परिस्थितियों को पूरा करते हुए स्टील संरचनाओं की तुलना में बाड़े का वजन 66% कम हो गया है। झाओ ज़ियाओयू एट अल। हल्के बैटरी पैक बाड़ों के लिए कार्बन फाइबर कंपोजिट और कठोरता समतुल्य डिजाइन पद्धति का उपयोग किया गया, जिससे स्टील संरचनाओं की तुलना में वजन में 64% से 67.6% की कमी आई।

एलआईयू एट अल. आरबीडीओ विधि का उपयोग करके कार्बन फाइबर मिश्रित बैटरी पैक ऊपरी कवर की हल्के डिजाइन की समस्या का समाधान किया गया, जिससे प्रदर्शन आवश्यकताओं को पूरा करते हुए 22.14% वजन में कमी आई। टैन लिज़होंग एट अल। तीन समाधानों की तुलना की गई: एक 1.5 मिमी मोटा एल्यूमीनियम ऊपरी आवरण (योजना 1), एक 1.5 मिमी मोटा कार्बन फाइबर ऊपरी आवरण (योजना 2), और एक 0.5 मिमी कार्बन फाइबर 3 मिमी मोटा हनीकॉम्ब पैनल 0.5 मिमी मोटा कार्बन फाइबर मिश्रित ऊपरी आवरण (योजना 3)। उन्होंने पाया कि स्कीम 3 इष्टतम थी, जिससे स्कीम 1 की तुलना में वजन 31% कम हो गया।

मेटल-लाइनर फाइबर-लिपटे टैंक (प्रकार तृतीय) और प्लास्टिक-लाइनर फाइबर-लिपटे टैंक (प्रकार चतुर्थ) मुख्यधारा के फाइबर मिश्रित-लिपटे गैस सिलेंडर हैं। फाइबर कंपोजिट-लिपटे गैस सिलेंडर के निर्माण के लिए ग्लास फाइबर, सिलिकॉन कार्बाइड फाइबर, एल्यूमीनियम ऑक्साइड फाइबर, बोरोन फाइबर, कार्बन फाइबर, अरैमिड फाइबर और पॉली (पी-फेनिलीन बेंजोबिसोक्साज़ोल) फाइबर जैसे फाइबर का उपयोग किया गया है। हल्के, प्रभाव-प्रतिरोधी और ज्वाला-मंदक फाइबर कंपोजिट के भी भविष्य में हल्के बैटरी पैक बाड़ों के लिए महत्वपूर्ण सामग्री बनने की उम्मीद है।

हालाँकि, लागत बाधाओं के कारण, कार्बन फाइबर कंपोजिट पर हावी उच्च-प्रदर्शन फाइबर कंपोजिट को बैटरी पैक बाड़ों में व्यापक रूप से लागू नहीं किया गया है। ऐसा माना जाता है कि नई ऊर्जा के विकास और फाइबर कंपोजिट अनुप्रयोगों के विस्तार के साथ, फाइबर कंपोजिट के उपयोग की लागत धीरे-धीरे कम हो जाएगी। फाइबर कंपोजिट भविष्य के नए ऊर्जा बाजार में चमकने के लिए तैयार हैं।