高性能纖維在新一代汽車中的最新應用進展

羅益鋒

摘要：汽車向輕量化、節能化、電動化和環保化發展已是大勢所趨。近年來，通過更新傳統電池的設計理念，采用高性能纖維的關鍵部件和不斷降低生產成本，各種新能源動力汽車開始孕育而生。本文介紹了汽車輕量化、節能化的最新進展和國內外新型車用動力電池的發展動態，重點介紹了高性能纖維在其關鍵部件中的最新應用進展，以為我國新能源汽車的發展提供一些思路。

關鍵詞：輕量化；節能；電動汽車；新型電池；高性能纖維；碳纖維復合材料

中圖分類號：TQ342+.7 文獻標志碼：A

Latest Application Progress of High-performance Fiber to New-generation Vehicle

Abstract： More light-weight， more energy-saving and electrification are the trends for future vehicles. Owing to the technology improvements of battery， further application of high-performance fiber and several other improving ways， a variety of new-generation vehicles have been come up. Some latest developments， including how to be more light-weight and energy-saving with high-performance fiber and their reinforced material. R&D of new kinds of vehicle-used battery， are detailed introduced in this article. The author hopes it can provide some references for domestic new-energy vehicle industry.

Key words： light-weight； energy-saving； electrical vehicle； new battery； high-performance fiber； CFRP

在大氣污染和溫室效應日益威脅人類生存環境的現實情況下，汽車的輕量化、節能化、電動化和環保化是大勢所趨。為了實現上述目標，美、歐、日等先進國家和地區率先通過法律法規，分階段規定新出廠的汽車每消耗 1 L汽油需達到的行駛里程數，我國也開始緊跟，這就迫使汽車生產廠家分階段擴大碳纖維復合材料（CFRP）等在汽車非承力和承力件及零部件中的應用。

另一方面，各國政府投巨資積極支持企業和科研院所研發新型動力電池，以促進電動汽車的產業化和逐步普及。然而，由于現有動力電池的安全性、高成本、體積大且重、充電時間長、續駛距離有限和廢棄物難以處置等問題而發展緩慢。

近年來，通過更新傳統電池的設計理念，采用高性能纖維的關鍵部件和不斷降低生產成本，各種新能源動力汽車開始孕育而生。比如目前出現的一種最先進的概念車采用了 CFRP結構材料，先進電池，塑料光導纖維的光顯示系統，對位芳香族聚酰胺纖維的子午胎、同步帶和高壓軟管，碳纖維等耐熱部件和剎車片，以及用碳纖維或聚丙烯氈等制成的消音器，而內裝飾材料選用了可生物降解的聚乳酸纖維等綠色產品。

1 汽車輕量化、節能化的最新進展與技術進步

1.1 汽車結構材料采用CFRP是大勢所趨

美歐日和我國相繼出臺越來越嚴的法律法規，達不到規定的耗油量就不能生產，外國車也不許進口，這對電動車的發展具有重要的推動作用。要達到規定的指標，必須使汽車最終減重50% ～ 60%，而最佳的選擇是采用CFRP結構材料。碳纖維價格貴是目前的瓶頸，隨著生產技術的高效化、市場應用的推廣以及生產規模的大型化，其成本有望降低。CFRP成型工藝的多樣化、高效化和低成本化，將助推CFRP汽車由高檔車逐步向中檔車發展。

目前用碳纖維增強熱塑性樹脂（CFRTP）制造非承力件，只需 1 ～ 5 min，且碳纖維增強熱固型樹脂作為承力件也只需1 ～ 3 min，有利于實現連續化生產和降低成本。

通過成型周期短的RTM一體化成型，部件數少。以“TEEWAVE”AR1車為例，與鋼制品相比，其部件數減少至1/20，減重約53%，CO2排放量減少約9%，但還需解決CFRP部件與鋼制品的粘合問題。

圖 1 所示為CFRP和生物質材料在汽車中的應用。

圖 2 所示為CFRP的各種成型工藝，表 1 為 8 家主要的國際汽車企業推出的CFRP車型、應用部位、車型工藝及售價等。

1.2 多種高科技纖維助推汽車的輕量化

汽車輕量化的要求，除帶動塑料部件的多方應用外，還推動了天然纖維增強塑料、碳纖維和超高相對分子質量聚乙烯（UHMWPE）纖維混雜復合材料部件、對位芳香族聚酰胺纖維子午胎、膠帶、膠管、剎車片（含碳纖維制品）及塑料光纖（POF）的全方位應用。

三菱麗陽的車載光顯示和光通信用POF正向全球普及。POF為PMMA芯和氟樹脂鞘材，直徑以 1 mm和0.75 mm為主，現已應用于奔馳、寶馬、奧迪、達州、福特等的高檔車，并占全球市場的60% ～ 70%，2013年其需求量達 5 萬 ～ 6 萬km，每秒可實現 1 Gps以上的高速信息傳輸。以聚苯乙烯為芯材、PMMA為鞘材的廉價POF現已部分應用于國產汽車中作為LED照明與光顯示系統。據測算，汽車采用POF后可比采用電線減重10 ～ 20 kg，輕量化近30%。

除此之外，寧波大成新材料股份有限公司與奇瑞汽車合作，開發了PAN-CF與UHMWPE纖維織布增強環氧樹脂引擎蓋（圖 3）和電池外殼箱（圖 4）等試制品，不僅更輕量化，還提高了抗沖擊性能。

汽車的輕量化同時也帶來了運行過程中噪音增大的問題，對此，除了利用CFRP本身具有震動吸收能力的優勢，國外多家公司開發了汽車用吸音器或消音器。通常，高檔車可選用對位芳香族聚酰胺纖維或碳纖維加工的針刺氈，普通車多采用滌綸或丙綸非織造布。日本帝人纖維公司開發了縱向排列的非織造布結構體“V-LAP”，作為汽車頂部和底盤的吸音材料；可樂麗Clarex公司開發了具有震動吸收能力的蒸汽噴射非織造布“フレクスター”，原料采用可樂麗生產的芯鞘型板狀非織造布，芯材為聚酯，鞘材為乙烯-乙烯醇（EVA）共聚物。

電動汽車和新一代車的排熱量較少，而且隨著驅動系統的高效化和走行阻力的減少，所需能量相對較少，因此相對而言用于空調的能量比率增大，需要加強整體保溫材料的開發和應用。

1.3 CFRP回收技術的開發和產業化迫在眉睫

隨著CFRP在各產業領域的大規模廣泛應用，其廢棄物的回收再利用將成為關鍵。CFRP的再生相對容易，一般采取粉碎再制成母粒使用。但目前碳纖維增強熱固性樹脂是CFRP的主流產品，回收再利用難度較大，現階段對此已開發出超臨界液體法、熱分解法、常壓溶解法、過熱蒸汽處理法、太陽能法和水熱加壓法等回收再生工藝，且有些已實現產業化。

對于所回收的碳長絲等，可加工成非織造布、短切纖維或直接制成CFRP，再生碳長絲的表面處理技術、成本和壽命周期評價等則是目前該領域面臨的問題。

2 新型車用動力電池的最新進展及高性能纖維的重要作用

電池是電動汽車的關鍵部件，近年來研發工作日新月異，出現了“百花齊放”的局面，表 2 所示為幾種有望產業化、初步產業化的動力電池尚存在的問題和新進展。

2.1 鋰離子電池

美國電動汽車Tesla（特斯拉）（圖 5）的市場化被認為對于新能源汽車的發展具有里程碑意義，其單次充電時間可縮短至30 ～ 60 min，靠擴大電池容量和增大車型使一次充電可續駛300 ～ 500 km，電池總重在500 ～ 1 000 kg之間，占汽車成本的50% ～ 60%，據報道曾發生過 6 次自燃事故。

對于這一車型的電池，改進的方向是采用碳纖維作為高強電極材料，而東麗和三菱樹脂分別提供均質聚酰亞胺非織造布和濕法成型PE單層膜與芳綸非織造布相復合的電池隔膜，可耐200 ℃以上的高溫。帝人提供在PE基材上復合Conex（一種間位芳香族聚酰胺纖維）非織造布并涂覆氟化物，以及間位芳香族聚酰胺納米纖維非織造布作為鋰離子電池隔膜。

此外，中國海誠工程科技股份有限公司研發的PET/ TENCEL？非織造布通過涂覆20%的Al2O3粉作為鋰離子電池的5P-1隔膜，容量保持率可達83.4%。

2.2 氫-空氣燃料電池

氫-空氣燃料電池是清潔能源且原料價廉，但其所用Pt等催化劑昂貴，要產業化需改進氫的制造、儲存和運輸技術，按國際標準氫儲罐壓力需耐700 MPa的壓力和超低溫，而供氫站約需500 L的儲存罐，這些都需CFRP高壓容器。

另外，儲氫還涉及儲氫材料，目前最好的吸氫材料是經硝酸處理的單壁碳納米管（SWCNT）和活性炭纖維，如圖 6所示，也可采用儲氫合金。

為防止催化劑中毒，需采用Pt和各種輔助金屬（Ru、Sn、Pd、Bi、Mo等）的合金催化劑，并需中、小直徑的碳納米纖維（CNF）（直徑為10 ～ 50 nm）作為載體，才能用于高活性、低溫型的燃料電池，并降低Pt的用量和成本，具體如表 3 和表 4所示。

車載的CFRP氫氣瓶內壓需由目前的35 MPa提高至70 MPa，方能實現 3 min內充一次氫氣跑500 km以上，搭載氫氣量增大30%，具體方案及應用示例如圖 7 — 圖 9 所示。

燃料電池的氣體擴散層可選用碳纖維織物或非織造布。中國工程物理研究院化工材料研究所研發在Nafion共聚物中摻入單壁碳納米管的復合膜，可用作質子交換膜的燃料電池陽極催化層。

2014年一季度，豐田燃料汽車（圖10）在加拿大作運行試驗，最長續駛距離可達620 km，計劃在2015年實現商品化。

此外，將于2015年投放市場的還有現代i-blue車型（圖11），據報道續駛距離為600 km；凱迪拉克Provoq車型（圖12），續駛距離為483 km。

2.3 鈉硫電池

鈉硫電池的優點是能量密度高，壽命長，價廉，操作溫度在300 ～ 350 ℃之間，但具有強腐蝕性，曾發生過自燃。為解決其安全性，日本ガイシ公司的解決方案是用碳片材將單電池卷起來，以提高耐熱性。

目前國外采用該電池的續駛距離為500 km，而我國據稱可達1 000 km。

2.4 鋁-空氣電池

鋁-空氣電池的優點是理論能量密度高達8 135 Wh/kg，實際可達400 ～ 600 Wh/kg，鋁負極電流密度高達350 ～ 500 mA/cm2，有利于驅動；缺點是陽極極化嚴重，鋁表面易形成氧化膜，負極腐蝕嚴重，正極材料的貴金屬催化劑昂貴。電池高導電層有選用碳纖維氈的。

2.5 鋅-空氣電池

鋅-空氣電池作為一次電池現已實用化，日本松下的PR44電池能量密度高達466 Wh/kg或1 473 Wh/L。但作為二次電池在充電時會析出樹脂狀晶體，使電極產生自放電，造成電容電流丟失快的問題。此外，在空氣極要開發高效的氧化還原反應等的催化劑。國外的相關專利中有選用微管式電池隔膜取代平板膜的方法，以擴大單位體積的膜反應面積。

我國有多家科研院所和企業進行車用鋅-空氣電池的研發，其中江蘇泰康電動車有限公司的產品已試用于武漢公共汽車上，但電池組沒電后需更換下來，經重新處理和更換電解液后才能重新使用。

2.6 鋰-空氣電池

鋰-空氣電池可望有較大的容量，但在有機電解液體系要確保反應生成物Li2O以微粒析出并進行可逆反應，而在水溶液體系中則要開發金屬鋰與水溶液分離的電解質膜。

為了獲得高比容量，負極材料有選用單壁碳納米管和碳納米纖維相組合的膜，可獲得2 500 mAh/g的電流密度，但為防止電容下降，需添加α-MnO2作為催化劑。

2.7 硼化釩-空氣電池

硼化釩-空氣電池是中德合作研發并由中方控股的項目，其優點是無需充電，而靠硼化釩（VB2）納米粉與空氣中的氧在催化劑存在的情況下發生反應產生電流，反應產物可再生循環使用，更換電池中的VB2只需 3 ～ 5 min，反應溫度不超過60 ℃，因而不易發生自燃和爆炸。其先進性和創新點還在于將傳統電池的平板電池隔膜設計成了微管式或中空纖維膜及環繞內外層的電極，具體如圖13所示。

該新型電池的新穎性還在于中空纖維直徑越小，電池質量和體積就越小，而能量密度卻越高，與其他電池的原理相反。

據報道，該電池已于2013年被授權實用新型專利，2014年發明專利也已進入實審期。將來實現產業化后，第一代電動車可續航500 km，第二代則可實現1 000 km。

3 結語

目前，我國正加大對新能源汽車用新型動力電池的開發力度，并對購買電動汽車實行一定的優惠政策，這非常有利于我國新能源汽車的發展。為了促進我國電動汽產業的發展，可借鑒國外的成功經驗，以整車廠為主導，與電池、汽車配件及主要纖維材料生產商等進行緊密協作。

參考文獻（略）

除此之外，寧波大成新材料股份有限公司與奇瑞汽車合作，開發了PAN-CF與UHMWPE纖維織布增強環氧樹脂引擎蓋（圖 3）和電池外殼箱（圖 4）等試制品，不僅更輕量化，還提高了抗沖擊性能。

汽車的輕量化同時也帶來了運行過程中噪音增大的問題，對此，除了利用CFRP本身具有震動吸收能力的優勢，國外多家公司開發了汽車用吸音器或消音器。通常，高檔車可選用對位芳香族聚酰胺纖維或碳纖維加工的針刺氈，普通車多采用滌綸或丙綸非織造布。日本帝人纖維公司開發了縱向排列的非織造布結構體“V-LAP”，作為汽車頂部和底盤的吸音材料；可樂麗Clarex公司開發了具有震動吸收能力的蒸汽噴射非織造布“フレクスター”，原料采用可樂麗生產的芯鞘型板狀非織造布，芯材為聚酯，鞘材為乙烯-乙烯醇（EVA）共聚物。

電動汽車和新一代車的排熱量較少，而且隨著驅動系統的高效化和走行阻力的減少，所需能量相對較少，因此相對而言用于空調的能量比率增大，需要加強整體保溫材料的開發和應用。

1.3 CFRP回收技術的開發和產業化迫在眉睫

隨著CFRP在各產業領域的大規模廣泛應用，其廢棄物的回收再利用將成為關鍵。CFRP的再生相對容易，一般采取粉碎再制成母粒使用。但目前碳纖維增強熱固性樹脂是CFRP的主流產品，回收再利用難度較大，現階段對此已開發出超臨界液體法、熱分解法、常壓溶解法、過熱蒸汽處理法、太陽能法和水熱加壓法等回收再生工藝，且有些已實現產業化。

對于所回收的碳長絲等，可加工成非織造布、短切纖維或直接制成CFRP，再生碳長絲的表面處理技術、成本和壽命周期評價等則是目前該領域面臨的問題。

2 新型車用動力電池的最新進展及高性能纖維的重要作用

電池是電動汽車的關鍵部件，近年來研發工作日新月異，出現了“百花齊放”的局面，表 2 所示為幾種有望產業化、初步產業化的動力電池尚存在的問題和新進展。

2.1 鋰離子電池

美國電動汽車Tesla（特斯拉）（圖 5）的市場化被認為對于新能源汽車的發展具有里程碑意義，其單次充電時間可縮短至30 ～ 60 min，靠擴大電池容量和增大車型使一次充電可續駛300 ～ 500 km，電池總重在500 ～ 1 000 kg之間，占汽車成本的50% ～ 60%，據報道曾發生過 6 次自燃事故。

對于這一車型的電池，改進的方向是采用碳纖維作為高強電極材料，而東麗和三菱樹脂分別提供均質聚酰亞胺非織造布和濕法成型PE單層膜與芳綸非織造布相復合的電池隔膜，可耐200 ℃以上的高溫。帝人提供在PE基材上復合Conex（一種間位芳香族聚酰胺纖維）非織造布并涂覆氟化物，以及間位芳香族聚酰胺納米纖維非織造布作為鋰離子電池隔膜。

此外，中國海誠工程科技股份有限公司研發的PET/ TENCEL？非織造布通過涂覆20%的Al2O3粉作為鋰離子電池的5P-1隔膜，容量保持率可達83.4%。

2.2 氫-空氣燃料電池

氫-空氣燃料電池是清潔能源且原料價廉，但其所用Pt等催化劑昂貴，要產業化需改進氫的制造、儲存和運輸技術，按國際標準氫儲罐壓力需耐700 MPa的壓力和超低溫，而供氫站約需500 L的儲存罐，這些都需CFRP高壓容器。

另外，儲氫還涉及儲氫材料，目前最好的吸氫材料是經硝酸處理的單壁碳納米管（SWCNT）和活性炭纖維，如圖 6所示，也可采用儲氫合金。

為防止催化劑中毒，需采用Pt和各種輔助金屬（Ru、Sn、Pd、Bi、Mo等）的合金催化劑，并需中、小直徑的碳納米纖維（CNF）（直徑為10 ～ 50 nm）作為載體，才能用于高活性、低溫型的燃料電池，并降低Pt的用量和成本，具體如表 3 和表 4所示。

車載的CFRP氫氣瓶內壓需由目前的35 MPa提高至70 MPa，方能實現 3 min內充一次氫氣跑500 km以上，搭載氫氣量增大30%，具體方案及應用示例如圖 7 — 圖 9 所示。

燃料電池的氣體擴散層可選用碳纖維織物或非織造布。中國工程物理研究院化工材料研究所研發在Nafion共聚物中摻入單壁碳納米管的復合膜，可用作質子交換膜的燃料電池陽極催化層。

2014年一季度，豐田燃料汽車（圖10）在加拿大作運行試驗，最長續駛距離可達620 km，計劃在2015年實現商品化。

此外，將于2015年投放市場的還有現代i-blue車型（圖11），據報道續駛距離為600 km；凱迪拉克Provoq車型（圖12），續駛距離為483 km。

2.3 鈉硫電池

鈉硫電池的優點是能量密度高，壽命長，價廉，操作溫度在300 ～ 350 ℃之間，但具有強腐蝕性，曾發生過自燃。為解決其安全性，日本ガイシ公司的解決方案是用碳片材將單電池卷起來，以提高耐熱性。

目前國外采用該電池的續駛距離為500 km，而我國據稱可達1 000 km。

2.4 鋁-空氣電池

鋁-空氣電池的優點是理論能量密度高達8 135 Wh/kg，實際可達400 ～ 600 Wh/kg，鋁負極電流密度高達350 ～ 500 mA/cm2，有利于驅動；缺點是陽極極化嚴重，鋁表面易形成氧化膜，負極腐蝕嚴重，正極材料的貴金屬催化劑昂貴。電池高導電層有選用碳纖維氈的。

2.5 鋅-空氣電池

鋅-空氣電池作為一次電池現已實用化，日本松下的PR44電池能量密度高達466 Wh/kg或1 473 Wh/L。但作為二次電池在充電時會析出樹脂狀晶體，使電極產生自放電，造成電容電流丟失快的問題。此外，在空氣極要開發高效的氧化還原反應等的催化劑。國外的相關專利中有選用微管式電池隔膜取代平板膜的方法，以擴大單位體積的膜反應面積。

我國有多家科研院所和企業進行車用鋅-空氣電池的研發，其中江蘇泰康電動車有限公司的產品已試用于武漢公共汽車上，但電池組沒電后需更換下來，經重新處理和更換電解液后才能重新使用。

2.6 鋰-空氣電池

鋰-空氣電池可望有較大的容量，但在有機電解液體系要確保反應生成物Li2O以微粒析出并進行可逆反應，而在水溶液體系中則要開發金屬鋰與水溶液分離的電解質膜。

為了獲得高比容量，負極材料有選用單壁碳納米管和碳納米纖維相組合的膜，可獲得2 500 mAh/g的電流密度，但為防止電容下降，需添加α-MnO2作為催化劑。

2.7 硼化釩-空氣電池

硼化釩-空氣電池是中德合作研發并由中方控股的項目，其優點是無需充電，而靠硼化釩（VB2）納米粉與空氣中的氧在催化劑存在的情況下發生反應產生電流，反應產物可再生循環使用，更換電池中的VB2只需 3 ～ 5 min，反應溫度不超過60 ℃，因而不易發生自燃和爆炸。其先進性和創新點還在于將傳統電池的平板電池隔膜設計成了微管式或中空纖維膜及環繞內外層的電極，具體如圖13所示。

該新型電池的新穎性還在于中空纖維直徑越小，電池質量和體積就越小，而能量密度卻越高，與其他電池的原理相反。

據報道，該電池已于2013年被授權實用新型專利，2014年發明專利也已進入實審期。將來實現產業化后，第一代電動車可續航500 km，第二代則可實現1 000 km。

3 結語

目前，我國正加大對新能源汽車用新型動力電池的開發力度，并對購買電動汽車實行一定的優惠政策，這非常有利于我國新能源汽車的發展。為了促進我國電動汽產業的發展，可借鑒國外的成功經驗，以整車廠為主導，與電池、汽車配件及主要纖維材料生產商等進行緊密協作。

參考文獻（略）

除此之外，寧波大成新材料股份有限公司與奇瑞汽車合作，開發了PAN-CF與UHMWPE纖維織布增強環氧樹脂引擎蓋（圖 3）和電池外殼箱（圖 4）等試制品，不僅更輕量化，還提高了抗沖擊性能。

汽車的輕量化同時也帶來了運行過程中噪音增大的問題，對此，除了利用CFRP本身具有震動吸收能力的優勢，國外多家公司開發了汽車用吸音器或消音器。通常，高檔車可選用對位芳香族聚酰胺纖維或碳纖維加工的針刺氈，普通車多采用滌綸或丙綸非織造布。日本帝人纖維公司開發了縱向排列的非織造布結構體“V-LAP”，作為汽車頂部和底盤的吸音材料；可樂麗Clarex公司開發了具有震動吸收能力的蒸汽噴射非織造布“フレクスター”，原料采用可樂麗生產的芯鞘型板狀非織造布，芯材為聚酯，鞘材為乙烯-乙烯醇（EVA）共聚物。

電動汽車和新一代車的排熱量較少，而且隨著驅動系統的高效化和走行阻力的減少，所需能量相對較少，因此相對而言用于空調的能量比率增大，需要加強整體保溫材料的開發和應用。

1.3 CFRP回收技術的開發和產業化迫在眉睫

隨著CFRP在各產業領域的大規模廣泛應用，其廢棄物的回收再利用將成為關鍵。CFRP的再生相對容易，一般采取粉碎再制成母粒使用。但目前碳纖維增強熱固性樹脂是CFRP的主流產品，回收再利用難度較大，現階段對此已開發出超臨界液體法、熱分解法、常壓溶解法、過熱蒸汽處理法、太陽能法和水熱加壓法等回收再生工藝，且有些已實現產業化。

對于所回收的碳長絲等，可加工成非織造布、短切纖維或直接制成CFRP，再生碳長絲的表面處理技術、成本和壽命周期評價等則是目前該領域面臨的問題。

2 新型車用動力電池的最新進展及高性能纖維的重要作用

電池是電動汽車的關鍵部件，近年來研發工作日新月異，出現了“百花齊放”的局面，表 2 所示為幾種有望產業化、初步產業化的動力電池尚存在的問題和新進展。

2.1 鋰離子電池

美國電動汽車Tesla（特斯拉）（圖 5）的市場化被認為對于新能源汽車的發展具有里程碑意義，其單次充電時間可縮短至30 ～ 60 min，靠擴大電池容量和增大車型使一次充電可續駛300 ～ 500 km，電池總重在500 ～ 1 000 kg之間，占汽車成本的50% ～ 60%，據報道曾發生過 6 次自燃事故。

對于這一車型的電池，改進的方向是采用碳纖維作為高強電極材料，而東麗和三菱樹脂分別提供均質聚酰亞胺非織造布和濕法成型PE單層膜與芳綸非織造布相復合的電池隔膜，可耐200 ℃以上的高溫。帝人提供在PE基材上復合Conex（一種間位芳香族聚酰胺纖維）非織造布并涂覆氟化物，以及間位芳香族聚酰胺納米纖維非織造布作為鋰離子電池隔膜。

此外，中國海誠工程科技股份有限公司研發的PET/ TENCEL？非織造布通過涂覆20%的Al2O3粉作為鋰離子電池的5P-1隔膜，容量保持率可達83.4%。

2.2 氫-空氣燃料電池

氫-空氣燃料電池是清潔能源且原料價廉，但其所用Pt等催化劑昂貴，要產業化需改進氫的制造、儲存和運輸技術，按國際標準氫儲罐壓力需耐700 MPa的壓力和超低溫，而供氫站約需500 L的儲存罐，這些都需CFRP高壓容器。

另外，儲氫還涉及儲氫材料，目前最好的吸氫材料是經硝酸處理的單壁碳納米管（SWCNT）和活性炭纖維，如圖 6所示，也可采用儲氫合金。

為防止催化劑中毒，需采用Pt和各種輔助金屬（Ru、Sn、Pd、Bi、Mo等）的合金催化劑，并需中、小直徑的碳納米纖維（CNF）（直徑為10 ～ 50 nm）作為載體，才能用于高活性、低溫型的燃料電池，并降低Pt的用量和成本，具體如表 3 和表 4所示。

車載的CFRP氫氣瓶內壓需由目前的35 MPa提高至70 MPa，方能實現 3 min內充一次氫氣跑500 km以上，搭載氫氣量增大30%，具體方案及應用示例如圖 7 — 圖 9 所示。

燃料電池的氣體擴散層可選用碳纖維織物或非織造布。中國工程物理研究院化工材料研究所研發在Nafion共聚物中摻入單壁碳納米管的復合膜，可用作質子交換膜的燃料電池陽極催化層。

2014年一季度，豐田燃料汽車（圖10）在加拿大作運行試驗，最長續駛距離可達620 km，計劃在2015年實現商品化。

此外，將于2015年投放市場的還有現代i-blue車型（圖11），據報道續駛距離為600 km；凱迪拉克Provoq車型（圖12），續駛距離為483 km。

2.3 鈉硫電池

鈉硫電池的優點是能量密度高，壽命長，價廉，操作溫度在300 ～ 350 ℃之間，但具有強腐蝕性，曾發生過自燃。為解決其安全性，日本ガイシ公司的解決方案是用碳片材將單電池卷起來，以提高耐熱性。

目前國外采用該電池的續駛距離為500 km，而我國據稱可達1 000 km。

2.4 鋁-空氣電池

鋁-空氣電池的優點是理論能量密度高達8 135 Wh/kg，實際可達400 ～ 600 Wh/kg，鋁負極電流密度高達350 ～ 500 mA/cm2，有利于驅動；缺點是陽極極化嚴重，鋁表面易形成氧化膜，負極腐蝕嚴重，正極材料的貴金屬催化劑昂貴。電池高導電層有選用碳纖維氈的。

2.5 鋅-空氣電池

鋅-空氣電池作為一次電池現已實用化，日本松下的PR44電池能量密度高達466 Wh/kg或1 473 Wh/L。但作為二次電池在充電時會析出樹脂狀晶體，使電極產生自放電，造成電容電流丟失快的問題。此外，在空氣極要開發高效的氧化還原反應等的催化劑。國外的相關專利中有選用微管式電池隔膜取代平板膜的方法，以擴大單位體積的膜反應面積。

我國有多家科研院所和企業進行車用鋅-空氣電池的研發，其中江蘇泰康電動車有限公司的產品已試用于武漢公共汽車上，但電池組沒電后需更換下來，經重新處理和更換電解液后才能重新使用。

2.6 鋰-空氣電池

鋰-空氣電池可望有較大的容量，但在有機電解液體系要確保反應生成物Li2O以微粒析出并進行可逆反應，而在水溶液體系中則要開發金屬鋰與水溶液分離的電解質膜。

為了獲得高比容量，負極材料有選用單壁碳納米管和碳納米纖維相組合的膜，可獲得2 500 mAh/g的電流密度，但為防止電容下降，需添加α-MnO2作為催化劑。

2.7 硼化釩-空氣電池

硼化釩-空氣電池是中德合作研發并由中方控股的項目，其優點是無需充電，而靠硼化釩（VB2）納米粉與空氣中的氧在催化劑存在的情況下發生反應產生電流，反應產物可再生循環使用，更換電池中的VB2只需 3 ～ 5 min，反應溫度不超過60 ℃，因而不易發生自燃和爆炸。其先進性和創新點還在于將傳統電池的平板電池隔膜設計成了微管式或中空纖維膜及環繞內外層的電極，具體如圖13所示。

該新型電池的新穎性還在于中空纖維直徑越小，電池質量和體積就越小，而能量密度卻越高，與其他電池的原理相反。

據報道，該電池已于2013年被授權實用新型專利，2014年發明專利也已進入實審期。將來實現產業化后，第一代電動車可續航500 km，第二代則可實現1 000 km。

3 結語

目前，我國正加大對新能源汽車用新型動力電池的開發力度，并對購買電動汽車實行一定的優惠政策，這非常有利于我國新能源汽車的發展。為了促進我國電動汽產業的發展，可借鑒國外的成功經驗，以整車廠為主導，與電池、汽車配件及主要纖維材料生產商等進行緊密協作。

參考文獻（略）