Ein E-Auto-Batteriesystem mit der Brandschutz-Leichtbaukomponente Saertex Leo Coated Fabric. (Bild: svt Products)

Ein E-Auto-Batteriesystem mit der Brandschutz-Leichtbaukomponente Saertex Leo Coated Fabric. (Bild: svt Products)

Ambitionierte Klimaziele sind ohne Elektromobilität nicht erreichbar. Aber auch hier gibt es noch viele Möglichkeiten, die Energieeffizienz der Antriebssysteme zu steigern und gleichzeitig weniger Ressourcen zu verbrauchen. Dabei kommt neuen und technisch verbesserten Leichtbaumaterialien wie dem Faserverbundwerkstoff von Saertex und svt eine entscheidende Rolle zu, um mit geringerer Leistung der Batteriesysteme höhere Reichweiten zu erzielen.

Der Gewichtsnachteil bei leistungsstärkeren Batteriesystemen ist im Sinne des Klimaschutzes nicht mehr zeitgemäß. Dieses Defizit lässt sich durch den Einsatz aktuellster Composite-Materialien ausgleichen. Das gilt umso mehr, wenn zusätzlich die energieverzehrenden Herstellungs- und Verarbeitungsprozesse der Fahrzeugteile aus Aluminium und Stahl in die Rechnung einbezogen werden. Vor diesem Hintergrund ist die Konzeption von Elektrofahrzeugen unter Berücksichtigung von Leichtbaumaterialien nur folgerichtig. Denn diese Materialien verbrauchen um ein Vielfaches weniger CO2 und haben gegenüber den herkömmlich verwendeten Materialien Stahl und Aluminium zusätzlich große Vorteile beim Transport und beim Handling.

Deutlich kleinerer CO2-Fußabdruck

Damit der CO2-Fußabruck eines Elektrofahrzeugs deutlich kleiner wird als dies gegenwärtig der Fall ist, ist es notwendig, das Thema Leichtbau in der Fahrzeugentwicklung von Anfang an zu verfolgen. Denn je leichter ein Elektrofahrzeug von vorn herein konzipiert wird, desto geringer muss die zur Verfügung stehende Antriebsleistung ausfallen, um die angestrebte Fahrleistung und Reichweite zu erreichen. Wird der Motor, dessen Elektronik und das Batteriesystem entsprechend leichter und kleiner gebaut, schont dies Ressourcen, und es entstehen weniger CO2-Emissionen. 

Brandschutzanforderungen für Batteriesysteme

Ein wichtiger Punkt bei der Verarbeitung von Leichtbaumaterialien in Elektrofahrzeugen ist deren Sicherheit, vor allem im Hinblick auf den Brandschutz des Batteriesystems. Die Materialien müssen so ausgelegt sein, dass sie selbst im Fall eines thermischen Durchgehens (Thermal Runaway), also beim Brand oder gar bei der Explosion der Batteriezelle, den Austritt von Feuer und Partikeln durch den Gehäusedeckel verhindern. Denn bei einem Thermal Runaway entstehen Temperaturen von über 1400 °C.

Der Faserverbundstoff Saertex Leo Coated Fabric integriert einen sehr wirksamen Brandschutz ins Gelege. (Bild: svt Products)
Der Faserverbundstoff Saertex Leo Coated Fabric integriert einen sehr wirksamen Brandschutz ins Gelege. (Bild: svt Products)

Patentierter Partikelschlag-Test

Zur Validierung von Brandschutzmaterialien in der E-Mobilität hat svt deshalb einen Partikelschlag-Test entwickelt, der die Havarie des Batteriesystems inklusive der Ruptur seiner Außenhülle ressourcenschonend simuliert. In der Realität entsteht in diesem Worst-Case-Szenario eine strahlenförmige Flamme, die mehr als 1400 °C heiß wird. In ihrem Gasstrahl schleudert diese die bei der Zerlegung der Batteriezelle entstehenden Partikel heraus, die aufgrund ihrer abrasiven Wirkung an benachbarten Zellen, Gehäuseteilen und Baugruppen immensen Schaden anrichten können.

Mit dem patentierten Testverfahren lassen sich Materialien im Hinblick auf ihre Schutzwirkung im Havarie-Fall zuverlässig prüfen. Bislang haben bereits weit über zweihundert verschiedene Materialien und Materialkombinationen den Partikelschlag-Test durchlaufen.

Brandschutztest für alle

Für die Validierung von Brandschutzmaterialien für Batteriesysteme gibt es seit kurzem zudem eine Kooperation zwischen der TÜV Rheinland ACT und svt. Ziel der Zusammenarbeit ist der bestmögliche Brandschutz während des gesamten Batterie-Lebenszyklus. In einem der aktuellsten Prüflabore Europas können ab dem ersten Quartal 2022 Hersteller und Entwickler von Brandschutzmaterialien in Aachen ihre Produkte entlang der unterschiedlichsten nationalen sowie internationalen Vorgaben bzw. Anforderungsnormen untersuchen und testen lassen.

Aluminium und Saertex Leo Coated Fabric im direkten Vergleich des Partikelschlag-Tests: Während das Feuer die Aluminiumplatte innerhalb von vier Sekunden durchschlägt, bleibt die Temperatur im Testverlauf beim Faserverbundstoff inklusive Brandschutz bei einer Temperatur um die 100 °C. Gelege und Vorderseite bleiben unversehrt. (Bild: svt Products)
Aluminium und Saertex Leo Coated Fabric im direkten Vergleich des Partikelschlag-Tests: Während das Feuer die Aluminiumplatte innerhalb von vier Sekunden durchschlägt, bleibt die Temperatur im Testverlauf beim Faserverbundstoff inklusive Brandschutz bei unter 100 °C. Gelege und Vorderseite bleiben unversehrt. (Bild: svt Products)

Leichtbau inklusive Brandschutz

Eine Vielzahl dieser Prüfungen hat der neuartige Faserverbundstoff Saertex Leo Coated Fabric bereits bestanden, so auch den Partikelschlag-Test von svt. Er wurde in Kooperation von Saertex und svt entwickelt und eignet sich in besonderer Weise für den Schutz des Batteriesystems im Elektrofahrzeug. Das Composite-Material erfüllt die höchsten Brandschutznormen und kommt bereits in den Bereichen Schienenfahrzeuge und Schiffbau zum Einsatz. Sein Vorteil: Als Inlay für den Batteriedeckel des Elektrofahrzeugs verbaut, entfällt die Notwendigkeit, das Batteriegehäuse für den Brandschutz aufwendig mit zusätzlichen Materialien in mehreren Schritten zu beschichten bzw. zu befüllen.

Saertex Leo Coated Fabric ist ein multiaxiales Gelege, das vollständig mit einem hochwirksamen Brandschutzmaterial beschichtet und dadurch maximal belastbar ist. Dieses intumeszierende Material bildet bei Hitzeeinwirkung einen stabilen hochisolierenden Kohlenstoffschaum, der selbst kleinste Fehlstellen egalisiert und verschließt. Neben der sehr guten thermischen Isolation (0,588 W/(m*K)) bietet das Material durch seine Harzschicht auch eine sehr gute elektrische Isolation.

Gegenüber herkömmlichen Brandschutzverfahren lässt sich der Faserverbundstoff zudem in deutlich weniger Schritten verarbeiten, was sich noch einmal positiv in der Energiebilanz niederschlägt. Denn als Faserverbundstoff hat Saertex Leo Coated Fabric über den Brandschutz hinaus weitere wichtige Vorteile für die Elektromobilität. Im Vergleich mit Aluminium spart er bis zu 40 Prozent Gewicht ein und trägt damit erheblich zu einer Steigerung der Energieeffizienz des Fahrzeugs bei. Gleichzeitig bringt das Material eine hohe Steifigkeit mit, um die Fahrdynamik zu gewährleisten. Auch im Hinblick auf die Lebensdauer schneidet das Material besser ab als Aluminium oder Stahl.

Während diese Materialien in Elektrofahrzeugen für eine Lebensdauer von 200.000 km ausgelegt sind, erreicht der Faserverbundstoff das Fünffache. Es lohnt sich also in mehrfacher Hinsicht, den Batteriekasten mit Leichtbaumaterialien zu schützen, denn Gehäuse, Deckel, Trenn- und Schottwände können mehr als 30 Prozent der Gesamtmasse eines Batteriepacks ausmachen. Eine Reduktion des Gewichts in diesen Bereichen führt somit automatisch zu einer Erhöhung der gravimetrischen Energiedichte, ohne die Zelltechnik verändern zu müssen.

Schnelle Verarbeitung

Die Verarbeitung von Saertex Leo Coated Fabric kann direkt per Vakuuminfusion oder dem RTM-Verfahren (Resin Transfer Moulding, Spritzpressen) erfolgen. Eine weitere zusätzlich notwendige Brandschutzbeschichtung der üblicherweise eingesetzten Materialien entfällt. Die Brandschutzkomponente von vornherein ins Verstärkungsmaterial zu integrieren, spart also aufwendige zusätzliche Beschichtungen. Diese Prozesse sind teuer und dauern wegen der Trocknung des Brandschutzmaterials lange. Nicht zuletzt ist die Qualität von Einlegern im Gehäusedeckel im Vergleich zu dessen Beschichtung leichter zu prüfen.

Fazit

Neuartige Materialien wie Saertex Leo Coated Fabric leisten einen wichtigen Beitrag, die Elektromobilität deutlich klimaschonender zu gestalten. Denn wenn sich durch sie das Batteriegewicht entscheidend reduzieren lässt, erhöhen sich Leistung und Reichweite des Elektrofahrzeugs signifikant. Umso besser, dass die Leichtbau-Lösung von Saertex und svt auch in Sachen Brandschutz anwenderfreundlich und sicher ist.

Autor

Andreas Pfitzinger, svt Products (Bild: svt Products)
Andreas Pfitzinger, svt Products (Bild: svt Products)

Andreas Pfitzinger ist Sales Manager OEM Battery Safety bei svt Products.

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