【市场观察】2022年复合材料市场回顾及2023年市场展望：燃料电池领域用复合材料

根据Bloomberg NEF于2022年6月发表的一篇文章所述，内燃机（internal combustion engine，ICE）汽车销量在2017年就达到了顶峰。随着政府和原始设备制造商（OEM）宣布加速淘汰化石燃料汽车，内燃机汽车的销量越来越多地被电池电动汽车（battery electric vehicles，BEV）和燃料电池电动汽车（fuel cell electric vehicles，FCEV) 所取代。电动汽车（electric vehicles，EVs）的这种增长为电池外壳和燃料电池组件中的复合材料提供了机会。

电池盒 根据ev-volumes网站发布的2022年上半年报告，2022年电动汽车总销量预计将超过1060万辆，比2021增长57%。年中分析表明，到2025年，电动汽车将占全球汽车销量的20%以上，到2035年将占近60%。为了在2050年实现净零排放，到2030年，销售的新乘用车中60%须为零排放汽车（ZEV），到2035年必须100%是零排放汽车。

随着原始设备制造商试图增加纯电动BEV的行驶里程，复合材料有助于抵消电池重量，同时通过轻量化电池外壳提高安全性。美国Teijin Automotive Technologies在北美、欧洲和亚洲拥有十多年的压模复合材料EV电池盖和完整外壳的经验，主要使用短纤维/热固性片状模塑复合材料（SMC）。然而，该公司已经开始探索使用树脂传递模塑（RTM）和湿压缩模塑工艺进行连续加固。Teijin也在研究混合材料方法，使用长纤维局部增强短纤维材料，并致力于为其大批量材料创建材料卡片(用于模拟软件)，以帮助客户开发新产品。

加拿大Magna International 公司最近通过其Magna Exteriors部门赢得了2024年开始生产的项目的首个复合材料电池盖。自2019年以来，该部门参与了与OEM的复合材料电池外壳开发活动，专注于使用阻燃不饱和聚酯（UP）或乙烯基酯（VE）树脂的模压SMC。然而，随着电池的能量密度不断增加，Magna 正在满足更多的复合材料需求，这些复合材料具有更高的耐火性和更高的温度，以及承受长达5分钟的热失控事件的内部压力，从而满足不断发展的全球标准。这促使人们对具有更高耐温性的酚醛树脂产生了更多的兴趣。Magna和Teijin都提到了对苯酚的兴趣。Magna还开发了正在申请专利的多材料外壳解决方案，其特点是阻燃复合材料盖和结合铝/复合材料的混合托盘。

自2019年以来，德国STS Group AG已为中国的多个项目提供SMC电池盖，预计2023年在西欧推出的项目也已接近生产。该公司于2022年开始在弗吉尼亚州建造一座新的SMC模塑工程。STS集团也看到了提高性能的需求，因此已经花了三年时间验证了连续玻璃或碳纤维增强的酚醛树脂和环氧树脂，这些基体可以在长期暴露于高温后提供残余机械性能。

复合材料风电叶片生产商TPI Composites 公司也在生产复合材料电池外壳组件，包括用于多个地区的重大项目，以及为预计于2023-2024年推出的4-8类电动卡车开发电池外壳。该公司花了六年时间开发和验证各种材料/工艺，以满足一系列质量、成本和其他性能要求。这些主要是基于连续纤维(玻璃纤维、碳纤维或混合物）浸渍酚醛树脂或高温阻燃环氧树脂，采用高压RTM、湿法复合成型和其他技术。

德国Kautex Textron GmbH&Co.KG与材料供应商Lanxess AG合作，探索使用热塑性复合材料替代大型电动汽车电池外壳上的钢和铝。对于一款C级（中型）轿车，合作伙伴展示了一个1400×1400毫米的电池外壳，包括一个连接到一体式防撞结构的托盘、车底保护装置和顶盖。结构件使用Durethan B24CHM2.0玻璃纤维增强PA6，采用压缩D-LFT（长纤维热塑性塑料）制造，这是一种适合快速、经济地生产大型部件的一步法工艺。托盘的防撞结构在局部用Tepex dynalite连续玻璃纤维增强PA6进行加固，以满足高结构要求。金属外壳不仅笨重，而且由于尺寸、部件数量以及许多制造和组装步骤(包括焊接、冲孔和铆接)而昂贵；它们还必须通过阴极浸渍涂层进行防腐。由于复合材料具有耐腐蚀性和电绝缘性，从而降低短路风险，它们还实现了紧固件和热管理组件的集成，从而减少了零部件的数量，简化了组装和物流，降低了成本和重量。 Kautex Textron和Lanxess AG联合开发的全热塑性复合材料电动汽车电池外壳(上)，而Ballard Power继续使用复合材料并随着全球需求的增长增加其燃料电池制造能力(下)

美国Lyondell Basell Industries公司自2016年以来一直为商用电动汽车电池外壳项目提供SMC。市场经理Justin McClure指出，外壳正成为汽车结构的一部分，对热事件管理的要求也变得更加严格，这促使公司采用更先进的材料。Lyondell Basell已将其锻造Preg连续单轴、双轴和三轴碳纤维增强混合SMC与高强度Premi SMC和高温Quantum ESC SMC等级共同模压，以优化质量和性能。他指出，尽管SMC的初始材料成本较高，但与必须进行机械加工、涂层和组装的多件式金属冲压件、铸件和挤压件相比，压缩工具的成本低于50000件/年。例如，与钢冲压件相比，30000件/年的模具成本通常可节省35%，40000件/年可节省20%。

日本三菱化学（Mitsubishi Chemical Group Corp.，MCG）已在全球范围内为复合材料电动汽车电池外壳提供材料，包括GMT和GMTex材料。该公司正在开发创新的多功能材料，以承受热失控事件，例如用于电池外壳的新型阻燃热塑性复合材料，该材料已通过了在1000°C火焰中暴露超过5分钟的测试。该公司还在探索将生物基热固性树脂系统用于其玻璃纤维和碳纤维增强预浸料。沙特SABIC为中国市场的本田汽车公司电动汽车提供阻燃短玻璃纤维增强聚丙烯（PP）树脂，该树脂是该行业最大的电池盖之一。该聚合物在暴露于火焰时可形成膨胀焦，使其具有自熄行为。这是第一个通过中国GB 18384-2020规范的盖子。与金属电池外壳相比，SABIC的注塑热塑性塑料可节省40%的重量，有助于延长行驶里程，同时功能集成简化了组装并降低了成本。该零件也可以在使用寿命结束时（EOL）完全回收，并具有较小的二氧化碳足迹。SABIC认为阻燃热塑性塑料有可能在电池外壳中占据更大份额，因为它们具有固有的热和电气隔离、膨胀性、重量轻、部件集成和潜在的部件淘汰功能，从而有助于降低成本。例如，已经探索了电池托盘，其中模制冷却通道能够节省60公斤的重量和50%的成本。