新型电池对高性能纤维的需求迅速增加
□ 全国特种合成纤维信息中心罗益锋
在大气污染和温室效应日益威胁人类生存环境的现实情况下，汽车的轻量化、节能化、电动化和环保化是大势所趋。美、欧、日首先通过法律法规，分阶段规定新出厂汽车每消耗一立升汽油须达到的行驶里程数，我国也紧跟世界潮流，这就迫使汽车生产厂家分阶段扩大碳纤维等复合材料（CFRP）在汽车非承力和承力件及零部件的应用。另一方面，各国政府投巨资积极支持企业和科研院所研发新型动力电池，以促进电动汽车的产业化和逐步普及。
近年来，通过更新传统电池的设计理念，采用高性能纤维的关键部件和不断降低生产成本，各种新能源动力电动汽车开始孕育而生。其中一种最先进的概念车采用CFRP结构材料、先进电池、塑料光导纤维的光显示系统、对位芳酰胺纤维的子午胎、同步带和高压软管、碳纤维等耐热部件和刹车片、碳纤维或聚丙烯毡等的消音器，内装饰材料选用可生物降解的聚乳酸纤维等绿色产品。
电池是电动汽车的关键部件，近年来研发工作日新月异，呈现“百花齐放”的局面，表1列出几种有望产业化的动力电池。
1锂离子电池
美国电动汽车Tesla的市场化，被认为具有里程碑意义，可将充电时间缩短到30～60分钟，但靠扩大电池用量和增大车型使一次充电可续驶300～500千米，电池总重500～1000千克，占汽车成本的50%～60%，但发生过6次自燃。改进的方向是采用碳纤维作为高强电极材料。东丽和三菱树脂分别提供均质聚酰亚胺非织造布和湿法成型PE单层膜与芳酰胺非织造布相复合的电池隔膜，可耐高温200℃以上。帝人提供了在PE基材上复合Conex(间位芳酰胺纤维)非织造布并涂覆氟化物，以及间位芳酰胺纳米纤维非织造布作为锂离子电池隔膜。
中国海诚工程科技股份有限公司研发了PET/TENCEL非织造布涂覆20% Al2O3粉，作为锂离子电池的5P-1隔膜，容量保持率为83.4%。
2氢-空气燃料电池
该电池无疑是清洁能源且原料价廉，但铂等催化剂价格昂贵，要产业化需改进氢的制造、储存和运输技术，按国际标准氢储罐压力需耐700MPa压力和超低温，而供氢站约需500升储存罐，这些都需CFRP高压容器。
储氢还涉及储氢材料，目前最好的吸氢材料是经硝酸处理的单壁碳纳米管（SWCNT）和活性炭纤维，也可采用储氢合金。
为防止催化剂中毒，须采用Pt和各种辅助金属（Ru、Sn、Pd、Bi、Mo等）的合金催化剂，并需中、小直径的碳纳米纤维（CNF）（10～50纳米）作为载体，才能用于高活性、低温型的燃料电池，并降低Pt的用量和成本。
车载的CFRP氢气瓶内压须由目前的35MPa提高至70MPa，方能实现3分钟内充一次氢气跑500千米以上，搭载氢气量增大30%。
燃料电池的气体扩散层可选用碳纤维织物或非织造布。中国工程物理研究院化工材料研究所研发出在Nafion共聚物中掺入单壁碳纳米管的复合膜，可用作质子交换膜的燃料电池阳极催化层。
2014年一季度丰田燃料汽车在加拿大作运行试验，运行时间最长可达620千米，计划2015年商品化。预计到2020～2030年生产成本为40万日元/W·h-1。
2015年将投放市场的燃料电池车还有现代i-blue（续驶距离为600Km）和凯迪拉克Provoq 483Km。
3钠硫电池
Na-S电池的优点是能量密度高，寿命长，价廉，操作温度300～350℃，但具有强腐蚀性，发生过自燃。为解决其安全性，日本ガイシ公司的解决方案是用碳片材将单电池卷起来，以提高耐热性。现在国外采用该电池的续驶距离为500千米，而我国据称可达1000千米。
4铝-空气电池
该电池的优点是理论能量密度高达8135W·h/Kg，实际已达到400～600W·h/Kg，铝负极电流密度高达350～500mA/cm2，有利于驱动。缺点是阳极极化严重，铝表面易形成氧化膜，负极腐蚀严重，正极材料的贵金属催化剂贵。电池高导电层有的是选用碳纤维毡。
5锌-空气电池
该电池作为一次电池现已实现商业化，日本松下的PR44电池能量密度高达466W·h/Kg或1473W·h/L，但作为二次电池在充电时会析出树脂状晶体，使电极产生自放电，造成电容、电流丢失快。此外，在空气极要开发高效的氧化还原反应等的催化剂。国外的专利方向有选用微管式电池隔膜取代平板膜，以扩大单位体积的膜反应面积。
我国有多家科研院所和企业在研发车用锌-空气电池，其中江苏泰康电动车有限公司的产品已试用于武汉公共汽车上，但电池组没电后需更换下来，经重新处理和更换电解液后重新使用。
6锂-空气电池
该电池可望有较大的容量，但在有机电解液体系要确保反应生成物Li2O以微粒析出并可逆反应，而在水溶液体系要开发金属锂与水溶液分离的电解质膜。为了获得高比容量，负极材料有选用单壁碳纳米管和碳纳米纤维相组合的膜，可获得2500mA·h/g，但为防止电容下降，须添加α-MnO2催化剂。
7硼化钒-空气电池
该电池是中德合作研发并由中方控股的项目，其优点是无需充电，而靠VB2纳米粉与空气中的氧在催化剂存在下反应产生电流，反应产物可再生循环使用，更换电池中的VB2只需3～5分钟，反应温度不超过60℃，不会出现自燃和爆炸。其先进性和创新点还在于将传统电池的平板电池隔膜，设计成微管式或中空纤维膜及环绕内外层的电极，如图1所示。
其新颖性和重要性还在于中空纤维直径越小，电池质量和体积就越小，而能量密度越高，与其他电池相反。
2013年该电池的实用新型专利已授权，2014年发明专利已进入实审期。将来产业化后，第一代电动车可续驶500千米，第二代1000千米。
综上所述，随着各种新型动力电池的研发成功和投入使用，对高性能纤维的需求将迅速增加。
表1 主要新型电池种类、存在问题及其电动汽车的续驶里程 km
电池种类 存在问题 标准轿车续驶距离
锂离子电池 有中度毒性，成本高，充电时间长，偶尔冒烟、
` 自燃、爆炸，废品难以处置 500
氢-空气燃料电池氢气依然易炸，铂等催化剂贵，需高压容器，
发电效率低 500～600
钠硫电池 原料易燃，有强腐蚀性 500～1000
铝-空气电池
锌-空气电池 电解液有强腐蚀性，电容电量衰减快 500
锂-空气电池 成本高，反应物再生和电解质膜的开发仍待解决 400～450
硼化钒-空气 原料与反应产物有毒，原料较贵未来 500～1000