Anpassbare 3D-Barrieren verhindern thermisches Durchgehen in Elektrofahrzeugen

Stephen Moore | 24. August 2023

Reichweitensteigernde Lithium-Ionen-Batterien mit hoher Energiedichte erhöhen das Risiko eines thermischen Durchgehens. Als vorbeugende Maßnahme hat Freudenberg Sealing Technologies durch Spritzguss und Extrusion hergestellte Wärmebarrieren entwickelt, die dazu beitragen, das thermische Durchgehen zu verlangsamen, indem sie den Widerstand gegen Ausbreitung erhöhen. Die neuen dreidimensionalen (3D) Wärmebarrieren können an verschiedenen Stellen innerhalb der Batterie eingesetzt werden und haben sich bereits in ersten Serienproduktionen als zuverlässig erwiesen.

Bis 2030 sollen weltweit weit über 100 Millionen Elektroautos auf den Straßen unterwegs sein. Um die Elektromobilität künftig effizienter zu gestalten, arbeiten viele Hersteller an höheren Reichweiten und kürzeren Ladezeiten. Deshalb stehen Hochleistungsbatterien bei dieser Entwicklung im Vordergrund. Bei Lithium-Ionen-Batterien erhöht jedoch eine höhere Energiedichte das Risiko eines thermischen Durchgehens. Freudenberg Sealing Technologies hat für diese anspruchsvolle Umgebung thermische Barrieren entwickelt, die das thermische Durchgehen verlangsamen oder sogar stoppen, indem sie den Widerstand gegen die thermische Ausbreitung erhöhen.

„Völlig neu ist, dass die Wärmebarrieren jetzt auch in maßgeschneiderten, flexiblen 3D-Geometrien verfügbar sind, was den Einsatz an verschiedenen Stellen innerhalb der Batterie ermöglicht und die Integration zusätzlicher Komponenten ermöglicht“, sagte Andrew Espinoza, Global Vice President , Technologie, der Oil Seals Powertrain & Driveline Division bei Freudenberg Sealing Technologies.

Ein thermisches Durchgehen, also die Entzündung oder Explosion einer Batteriezelle, die durch einen sich selbst verstärkenden Erwärmungsprozess verursacht wird, ist ein erhebliches Sicherheitsproblem. Dies kann durch eine Reihe interner und externer Faktoren verursacht werden, wie z. B. Überladung, übermäßige Entladung, Beschädigung oder Erwärmung des Akkus. Beim thermischen Durchgehen werden nicht nur Flammen und heiße Gase, sondern auch elektrisch leitfähige Partikel freigesetzt. Diese wiederum können zu einer thermischen Ausbreitung in benachbarten Zellen führen und zu Kurzschlüssen im elektrischen System führen. Wärmebarrieren fungieren als Schutzschichten, die die Ausbreitung von Hitze und Flammen in der Batterie verlangsamen oder sogar verhindern, was die Sicherheit deutlich erhöht.

Über die bestehenden zweidimensionalen Barrieren wie Flachmatten und Wärmedecken hinaus eröffnet die 3D-Variante völlig neue Möglichkeiten. Kundenspezifische 3D-Geometrien können in verschiedenen Groß- und Kleinserienfertigungsverfahren wie Spritzguss und kontinuierlicher Extrusion hergestellt werden. Beispiele für aktuell produzierte Produkte sind Profildichtungen, Modultrenner und Abdeckungen, unter anderem für Stromschienen, Kühlleitungen oder elektrische Komponenten. Darüber hinaus sind die gefertigten, komplexen 3D-Geometrien leicht und haben nur minimale Auswirkungen auf das Gesamtgewicht der Batterie.

Speziell für diese Anwendungen haben die Materialexperten von Freudenberg Sealing Technologies hitzebeständige, elektrische und thermisch isolierende Materialien entwickelt. Die Tests dieser Materialien wurden intern durchgeführt und haben gezeigt, dass sie Temperaturen von bis zu 1.200 °C sicher standhalten können. Durch spezielle Zusammensetzungen sind diese Compounds besonders hitzebeständig. Es macht sie auch resistent gegen Partikeleinwirkungen, wie sie etwa beim Belüften von Zellen entstehen. Die 3D-Wärmebarrieren nutzen Elastomerlösungen, sei es in fester Form oder als Schaum, sowie aus Quantix Ultra geformte Kunststoffkomponenten, die komplexe Geometrien ermöglichen.

Quantix Ultra-Compounds sind teilkristalline Thermoplaste mit deutlich höheren Glasübergangstemperaturen als herkömmliche Thermoplaste. Sobald jedoch die Glasübergangstemperatur überschritten wird, schmilzt das Material nicht, sondern wird elastisch. In einem Labortest überlebte eine weniger als einen Millimeter dicke Materialprobe zehn Minuten lang in einer Flamme, die eine Temperatur von 1.200 °C erreichte.

„Die dreidimensionalen Wärmebarrieren und die verwendeten Materialien wurden umfangreichen Tests unterzogen, die über die erforderlichen Standards hinausgehen. Sie haben ihre herausragende Leistung und Zuverlässigkeit bei Prüfstandstests und Batteriesystemtests unter Beweis gestellt. „Die Produkte erfüllen höchste Qualitätsstandards, sind nach UL 94 V-0 zertifiziert und werden bereits erfolgreich in ersten Serienproduktionen für die Automobilindustrie eingesetzt“, sagte Espinoza.

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