Materialien für das Wärmemanagement von Batterien

Ein Kaltstart im Winter belastet die Starter-Batterie stark, aber auch bei modernen Batterielösungen mit hoher Energiedichte ist ein gutes Thermomanagement entscheidend für Leistung, Lebensdauer und Sicherheit. Ob Lithiumionen-, LiFePO4-Akkus oder andere, Batteriemodule werden aus einer Vielzahl von Einzelzellen zu einem Modul oder Akkupack zusammengestellt. Dabei dürfen weder einzelne Zellen noch das ganze Paket im Betrieb zu warm oder zu kalt werden. Moderne Werkstoffe in Form von Folien, Pasten oder Pulvern erlauben es, an praktisch jeder Stelle die richtige “Wohlfühltemperatur” im Batteriemodul einzustellen.

Batterien für den Massenmarkt teilen sich in viele sehr unterschiedliche Gruppen und Ausführungen auf. Sie haben aber ein paar grundlegende Gemeinsamkeiten, die den Aufbau, die Sicherheit, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer betreffen. So werden Batteriezellen zu Modulen zusammengefasst und diese dann zu einem Batteriepack, um höhere Spannungen und/oder Kapazität zu erreichen. Nachteil einer solch dichten Packung: Es entsteht Wärme bei Ladung und Entladung, die gezielt abgeführt werden muss; bei Kälte dagegen müssen die Zellen beheizt werden, beispielsweise, um im Winter überhaupt eine Schnellladung zu ermöglichen. Je nach Einsatzbereich, im Elektrofahrzeug, stationären Energiespeicher, der Ladeinfrastruktur etc., gibt es für das Wärmemanagement sehr unterschiedliche Anforderungen. Als Experte für Wärmeleit- und Isolierstoffe bietet die Dr. Dietrich Müller GmbH aus Ahlhorn dafür eine Vielzahl unterschiedlicher Materialien (Bild 1) in Form von Folien, Pasten oder Pulvern und Platten an, als Rohware „von der Rolle“ oder anwendungsspezifisch vorkonfektioniert z. B. geformt und gelocht. Einen Teil der vielfältigen Anforderungen und Möglichkeiten der Materialen, die hier zum Einsatz kommen, zeigt der folgende Text.

Wärmemanagement verbessert Leistung und Lebensdauer

Die Arbeitstemperatur durchschnittlicher Batterien liegt meist zwischen - 20 und maximal + 50 °C, bei ca. 25 °C haben sie ihre optimale Leistung. Die aus Batteriemodulen zusammengesetzten Batteriepakete für größere Verbraucher werden deswegen mit einem Batteriemanagementsystem (BMS) und Schutzsystemen zur Kühlung versehen, um Temperaturspitzen nach oben und unten zu vermeiden. Hotspots, also einzelne heißere Zellen, sollen durch gezielte Wärmeabfuhr bzw. -verteilung vermieden werden, weil sie sonst andere Zellen mitschädigen können (Bild 2). Diese gezielte Ausbreitung der Wärme von Akkuzelle zu Zelle bzw. zur Kühleinrichtung oder Außenfläche verbessern verschiedene Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften. Dabei müssen elektrische Isolierstoffe sowohl flammsicher sein als auch die Anforderungen der Underwriter Laboratories (UL) erfüllen. Bei separaten Kühlsystemen wird das gesamte Batteriepaket nach außen isoliert, das hält die Batterie im Winter länger warm und einsatzbereit und schützt im Sommer vor hoher Wärmestrahlung vom heißen Straßenbelag. Je nach Batteriesystem und Auslegung sind daher eine Vielzahl unterschiedlicher Stoffe und Vorgehensweisen möglich, die Spezialisten aus Ahlhorn helfen hier mit ihrer Erfahrung bei der Auswahl und Gestaltung der Isolierstoffe weiter.

Folie und Platten als Maßanzug liefern lassen

Eine Möglichkeit für eine effektive Wärmeübertragung in Batteriemodulen sind gestanzte Interface-Materialien (Bild 3). Solche Komponenten mit hoher Wärmeleitfähigkeit und guter Druckbeständigkeit erlauben eine einfache Integration in bestehende Designs. Die Leitfähigkeit beträgt bis zu 9 W/mK und verbessert durch Überbrücken schlecht leitfähiger „Luftporen“ (Wärmeleitfähigkeit Luft = 0,026 W/mK) zwischen den Oberflächen den Wärmeübergang. Neben dem Wärmemanagement übernehmen sie häufig noch weitere Aufgaben wie einen mechanischen Schutz, vor allem bei Zellversagen mit Austritt heißer Gase, als Stoßschutz und gegen Vibration. Die Folien und Platten gibt es in unterschiedlichen Ausführungen, z.B. als Thermipads, wärmeleitende Klebefolien, sehr dünne Folienfilme aus Silikon, Polyimid, PEEK oder Schaumfolien und gefüllte Folien aus Acryl- oder Polyesterkunststoffen (Bild 4). Pasten für die Temperaturkontrolle in Batteriemodulen dienen als flexible Wärmeleiter, beispielsweise, um Temperaturfühler thermisch zu koppeln. Phasenwechselmaterialien dagegen puffern entstehende Abwärme, durch einen Fest-flüssig-Übergang, verteilen die Wärmeenergie zeitlich und halten so den Akku in Betrieb und auf Wohlfühltemperatur. Werkstoffe wie Gap-Pads oder Grafit helfen, Wärmeprobleme zu vermeiden und die Lebensdauer der Batterie zu verlängern.

Wie kühlt man ein Netzteil?

Da kein Netzteil vollständig verlustfrei arbeitet, entsteht ein Teil der eingesetzten Energie zwangsläufig als Wärme. Eine geeignete Wärmeableitung ist daher entscheidend für Effizienz, Zuverlässigkeit und Lebensdauer elektronischer Stromversorgungen.

Sabine Synkule

Im Gegensatz zu Stoffen, die wie Flüssigkeiten den Raum füllen, beispielsweise Aerosilpulver, das thermisch isoliert und feuerbeständig ist und dabei auch Elektrolyt im Schadensfall aufsaugen kann, müssen die formstabilen Wärmemanagementprodukte an die jeweilig spezifischen Formvorgaben angepasst werden. Da die unterschiedlichen Materialien auch sehr unterschiedliche Bearbeitungsanforderungen haben, bieten die Ahlhorner Spezialisten mit ihrer jahrzehntelangen Erfahrung auch einen Konfigurierungsservice. Alle Materialien können, exakt nach Maß zugeschnitten, fertig zum Einbau geliefert werden. Neben dünnen Formteilen gibt es auch verschiedene Platten: Robuste Platten, z. B., um die Zellenpole zu isolieren, oder Epoxidplatten zur Trennung einzelner Modulbereiche oder um die Zellen mechanisch gegen Vibration oder Aufblähen vorzuspannen (Bild 5).

Zukunftsfähige Produkte

In kaum einer anderen Branche geht der technische Fortschritt aktuell so schnell voran wie bei der Batteriefertigung. Das betrifft nicht nur die eigentliche Akkuzelle, sondern auch die Materialien zur Modulzusammenstellung. Das Produktprogramm rund um das Thermomanagement bietet daher neben altbewährten Materialien auch viele innovative Stoffe wie beispielsweise eine im wahrsten Wortsinn hauchdünne, gebrauchsmustergeschützte Folie aus PEEK-Wärmeleitfolie mit nur 25 µm Stärke und hoher Durchschlagfestigkeit. Solch dünne Folien zu verarbeiten und reproduzierbar zu konfektionieren, erfordert umfangreiches Know-how. Wärmeleitfähige Klebstoffe mit einem weiten Temperaturbereich von ca. - 85 bis zu + 300 °C und Wärmeleitpasten mit und ohne Silikon, ungefüllt oder gefüllt mit Keramik-, Bor- oder Silberpartikeln und einer Wärmeleitfähigkeit bis zu 9 W/mK für einen Einsatzbereich von - 100 bis + 1200 °C runden das Programm rund um die Wärmeleitprodukte im Batteriebau ab.

Um die beste Lösung für spezifische Wärmemanagementaufgaben zu finden, steht heute eine breite Palette unterschiedlicher Werkstoffe zur Verfügung. Kompetente Beratung im Vorfeld bei der Materialauswahl, gegebenenfalls kombiniert mit einer ausgelagerten Vorkonfektionierung der Folien oder Platten und just-in-time Lieferung, erlaubt eine preiswerte Produktion ohne Abstriche bei Robustheit und Lebensdauer der Produkte eingehen zu müssen. (na)