Aufgrund steigender Energiedichte der Batteriesysteme müssen die Entwickler von Lithium-Ionen-Akkus immer höhere Sicherheitsanforderungen beachten. Insbesondere gilt es zu verhindern, dass eine einzelne schadhafte Zelle zu einer Überhitzung eines gesamten Batteriemoduls führt.
Freudenberg Sealing Technologies hat dafür einen Hitzeschild entwickelt, der in prismatischen und Pouchzellen eingesetzt werden kann. Er kombiniert die hohe Hitzebeständigkeit eines silikonbasierten Elastomers mit der hohen Wärmeisolation von Luft.
Mehr Reichweite ohne mehr Volumen
Eine höhere Energiedichte schafft die Voraussetzung für die breite Akzeptanz von Elektrofahrzeugen und stellt das wichtigste Ziel für Batterieentwickler dar. Doch je mehr Energie auf engem Raum gespeichert wird, desto höher werden auch die Sicherheitsanforderungen. So gilt es für den Fall vorzusorgen, dass eine schadhafte Zelle überhitzt. Dieses von Experten Thermal Runaway oder thermisches Durchgehen genannte Phänomen führt unter Umständen dazu, dass an einer Zelle Temperaturen von bis zu 600 Grad Celsius auftreten. Die Gefahr: Die Wärme wird in einem solchen Fall durch das Kühlsystem des Akkus nicht schnell genug abgeführt. Wenn sich die benachbarten, eigentlich gesunden Zellen durch den Wärmestau ebenfalls erhitzen, kann es zu einer Kettenreaktion kommen, die im schlimmsten Fall eine Explosion des gesamten Batteriesystems zur Folge hat.
Freudenberg will dem entgegenwirken. Künftig sollen Hitzeschilde zwischen den einzelnen Zellen dafür sorgen, dass die Wärme in der schadhaften Zelle so lange isoliert wird, bis diese abgebaut worden ist.
Der Hitzeschild erfüllt drei grundlegende Eigenschaften
Erstens besteht er selbst aus einem sehr hitzebeständigen Material, einem silikonbasierten Elastomer. Zweitens verzögert er den Wärmeübergang zwischen den Zellen durch eine waffelförmige Struktur – winzige Lufttaschen sorgen für eine sehr gute Wärmeisolation. Drittens ist der Hitzeschild mit einer Dicke von maximal einem Millimeter sehr schlank.
Für die Entwicklung des Hitzeschilds hat der Hersteller ein neues Prüfverfahren entwickelt. Es basiert darauf, Proben der Hitzeschilde auf einer 600 Grad Celsius heißen Oberfläche zu lagern und die Temperatur auf der Rückseite mit Thermoelementen zu erfassen. Versuchsreihen haben laut eigenen Angaben gezeigt, dass nach 30 Sekunden auf der Rückseite Temperaturen von deutlich unter 200 Grad Celsius auftreten. Damit wäre eine benachbarte Zelle vor einer Zerstörung der Kathodenmaterialien oder des Separators hinreichend geschützt , erläutert Freudenberg-Experte Peter Kritzer. Die exakten Grenzwerte hängen freilich an einer Vielzahl einzelner Parameter wie Chemie und Geometrie der Batteriezellen.
Versuchen an Batteriemodulen und -systemen stehe nun nichts mehr im Weg. Auch an die Montage der Hitzeschilde wurde bereits gedacht: Da die Lufttaschen durch einen Saugnapfeffekt an den glatten metallischen Oberflächen einer prismatischen Zelle gut anhaften, wäre das einzelne Schild exakt zu positionieren. In weiteren Entwicklungsschritten wäre es den Angaben zufolge sogar möglich, die Funktion der Hitzeschilde zu erweitern. Führt man das flexible Formteil auf die Oberseite der Zelle fort, könnte es die sich dort befindende Berstscheibe umschließen und abdichten. Die Berstscheibe sorgt bei einem Überdruck in der Batteriezelle dafür, dass die entstehenden toxischen Gase gezielt entweichen. Sicherheit ist noch vor der Energiedichte das wichtigste Qualitätsmerkmal künftiger Akkugenerationen , so Kritzer. Mit relativ unscheinbaren Bauteilen wie unseren Hitzeschilden kann diese deutlich erhöht werden.“
