Eine umfassende Strategie auf Basis von PSA-Tape zur Prävention und Minderung von thermischem Austritt in Batteriepacks

Von Max VanRaaphorst, Avery Dennison.

Der Übergang zur Elektrifizierung hat die Nachfrage nach Hochleistungsbatterien gesteigert, was wiederum den Bedarf an skalierbaren Lösungen zur Wärmeverwaltung beschleunigt hat. Dies gilt insbesondere, da die Branche auf höhere Dichte und schnellere Ladezeiten setzt – beides verstärkt die Auswirkungen von Fehlern wie einem thermischen Austritt.

Die Suche nach und Umsetzung von thermischen Lösungen stellt eine erhebliche ingenieurtechnische Herausforderung dar. Moderne Akkupacks sind dicht und komplex aufgebaut. Zusatzmaterialien müssen effektiv, leicht sowie einfach in die Produktionsprozesse integrierbar sein. Langlebige und vielseitige druckempfindliche Klebebänder (PSA-Klebebänder), wie sie von Avery Dennison Performance Tapes hergestellt werden, erweisen sich als bevorzugte Materiallösung.

Ein Überblick über PSA-Klebebänder

PSA-Klebebänder verfügen über eine lange Historie des Erfolgs in vielen Branchen. Aufgrund ihrer Vielseitigkeit, Langlebigkeit, Leichtigkeit, Dünnheit sowie Skalierbarkeit werden sie für zahlreiche Anwendungen gewählt. Ihre sofortige Aushärtung ermöglicht eine schnelle Verwendung in manuellen oder automatisierten Fertigungslinien.

Die Grundlage einer PSA-Klebebänder ist der Klebstoff, der mit speziellen Formulierungen entwickelt werden kann, um einzigartige Eigenschaften hinsichtlich Festigkeit und Langlebigkeit zu bieten. Diese Klebstoffe sind darauf ausgelegt, anspruchsvollen Belastungen standzuhalten, einschließlich Hitze, Chemikalien und mechanischer Kräfte.

Klebebänder sind außerdem anpassbar und können mehrere Vorteile bieten. Beispielsweise kann ein Band auf eine Mica-Platte laminiert werden, um eine Flammensperre zu schaffen, oder auf ein dielektrisches Film, um einen elektrischen Isolator zu erzeugen. Zudem können diese Bänder gestanzt und ausgeschnitten werden, um den Anforderungen des Designs jedes Akkupacks gerecht zu werden.

Ingenieure von Akkupacks haben zahlreiche Anwendungen für PSA-Klebebänder entwickelt. Dazu gehören Zellverbindungssysteme, Umhüllungen, Belüftungsöffnungen, Kompressionspolster, elektrische Isolierung, Dichtungen, Verklebung, Abdichtung sowie Kabelmanagement. Immer häufiger ist die wichtigste Anwendung dieser Bänder das Wärmanagement.

Hauptaufgaben bei der Wärmeverwaltung

Um effektiv Sicherheit und Langlebigkeit zu gewährleisten, müssen Ingenieure drei grundlegende Herausforderungen bei der Wärmeverwaltung überwinden. Obwohl diese nicht erschöpfend sind, stehen sie in engem Zusammenhang mit der Leistungsfähigkeit, Langlebigkeit und Sicherheit von Batterien.

1. Förderung des Wärmeflusses bei gleichzeitiger Gewährleistung der dielektrischen Stabilität

Die Wärme benötigt einen Weg mit geringem Widerstand von den Zellen zu den Kühlkomponenten (z. B. Kühlelemente oder Kühlflügel). Gleichzeitig müssen diese Wege die Hochspannungs-Zellen elektrisch isolieren, um Funkenbildung und Brände zu verhindern.

Die Wärmeübertragung wird durch das Wärmeführungsgesetz von Fourier bestimmt: Q = k * A * T/X. Der leitfähige Wärmewiderstand (Rth) ist direkt proportional zur Dicke (X). Es ist entscheidend, die Dicke zu minimieren, während die Wärmeleitfähigkeit (k) beibehalten wird, um die Wärmeübertragungsrate (Q) zu maximieren.

Das Gleichgewicht zwischen Wärmeleitfähigkeit und dielektrischen Eigenschaften stellt eine klassische Herausforderung in der Werkstofftechnik dar, da die Eigenschaften, die die Leitfähigkeit verbessern, oft im Widerspruch zu denen stehen, die für elektrische Isolierung benötigt werden. Ingenieure benötigen Materialien zur Wärmebewirtschaftung, die beide Eigenschaften optimieren, ohne die Fertigbarkeit zu beeinträchtigen.

2. Isolierung der Zellen während eines thermischen Austritts

Moderne Batteriepacks bieten nur wenig Platz für physische Barrieren oder Luftspalten zwischen den Zellen. Dadurch wird die Isolierung einer beschädigten Zelle schwierig. Ingenieure benötigen dünne Materialien, die den Wärmetransport lange genug verlangsamen oder verhindern können, damit Sicherheitssysteme reagieren können und so das Risiko einer Katastrophe auf Packebene minimiert wird. Materialien wie Mica sind hervorragende Isolatoren. Allerdings sind sie oft brüchig und schwer in die automatisierte Fertigung zu integrieren.

3. Behandlung von entweichenden Gasen und Flammen

Wenn eine Zelle versagt, steigt der innere Druck an, wodurch heiße Gase, Flammen und Partikel entweichen müssen. Wenn dies nicht kontrolliert wird, können weitere Zellen beeinträchtigt werden und gefährliche Drucklevel im Ganzen erzeugen. Ingenieure benötigen flammsichere Barrieren, die ein kontrolliertes Druckentlasten ermöglichen und gleichzeitig die Wahrscheinlichkeit verringern, dass ein Versagen einer einzelnen Zelle zu einem katastrophalen Ereignis führt.

Eine dreiteilige Strategie zur Prävention und Minderung

Ingenieure benötigen eine vielfältige thermische Strategie, die den Wärmetransfer verbessert, Komponenten isoliert, ausufernde Ereignisse eindämmt und das Entweichen von Stoffen kontrolliert.

1. Verbesserung des Wärmetransfers bei Beibehaltung der elektrischen Isolierung

Die Tape-Produkte der Serie Avery Dennison Volt Tough™ bieten eine Lösung, da sie einen dielektrischen Filmträger sowie ein Acryl-Klebstoff enthalten, der zum Verbinden von Zellen, Modulen und Kühlkomponenten geeignet ist.

Thermosetzende dielektrische Pulverbeschichtungen erfordern in der Regel eine Dicke von 250 µm, um eine vollständige Abdeckung zu gewährleisten. Dielektrische PSA-Tapes mit PET- oder Polyimid-Filmen können hingegen bei einer Dicke von nur 85 µm einen vergleichbaren oder sogar höheren Durchbruchsspannungswert erreichen. Unter der Annahme einer vergleichbaren Wärmeleitfähigkeit führt das 85-µm-Tape zu einer Reduzierung der leitenden Wärmeleistung um etwa 66 % im Vergleich zu Beschichtungen. Dadurch kann Wärme fast dreimal schneller von der Zellhülle auf das Kühlmittel übertragen werden, wodurch Spitzenwerte der Zelltemperatur während des Schnellladens effektiv unterdrückt werden.

2. Erstellung von Barrieren zur Verhinderung eines thermischen Austritts

PSA-Tapes mit niedriger Wärmeleitfähigkeit können isolierende Materialien wie Mica, Aerogel oder Keramikpapier verkleben und umhüllen. Dadurch entsteht eine robuste Konstruktion, die ein hervorragendes Gleichgewicht zwischen Wärmeisolierung und mechanischer Festigkeit bietet. Klebstoffe, die kurzfristig Temperaturen nahe 500℃ standhalten können, gewährleisten eine zuverlässige Verbindung.

Avery Dennison bietet spezielle, mit geringer Abblätterung ausgestattete Trägerformulierungen, die es diesen Tapes ermöglichen, in hochgeschwindigen, automatisierten Fertigungsprozessen eingesetzt zu werden, ohne empfindliche Substrate zu beschädigen.

3. Behandlung von entweichenden Gasen und Flammen bei Zellversagen

Avery Dennison-Anisotropietüten bieten eine elegante Lösung zur Bewältigung von Zellversagen. Diese Tüten werden strategisch an den Entlüftungsanschlüssen der Zellen angebracht. Durch eine brandhemmende Beschichtung weisen jede Seite unterschiedliche Eigenschaften bei Kontakt mit Flammen auf. Bei einem thermischen Ereignis platzt die Tüte, sodass Gase und Flammen in den Entlüftungskanal entweichen können, während gleichzeitig verhindert wird, dass diese Gase benachbarte Zellen beeinflussen.

Thermodynamischer Einfluss: NMC gegenüber LFP-Chemien

Die Leistung der Tüten muss mit den thermodynamischen Versagensmustern der Zellchemie übereinstimmen.

Nickel-Mangan-Kobalt (NMC): Diese Kathoden weisen eine geringere thermische Stabilität auf und lösen bereits bei niedrigeren Temperaturen einen thermischen Austritt aus. Im Falle eines Versagens zerfällt die Kathode exotherm und setzt Sauerstoff frei, der die Verbrennung anregt, wodurch Oberflächentemperaturen von 800–1050 ℃ entstehen. Lüftungsstrategien müssen der Lenkung der Flammen sowie der Ablenkung der Partikel Vorrang einräumen. Bänder wie das Avery Dennison ES 3505 brennen schnell durch, um Hochgeschwindigkeitsströme in die Abgasrohre zu leiten. Keramik-Gummi-Hybridbänder wie das ES 3507 verhindern, dass ausgeworfene Stoffe strukturelle Trennwände durchbohren.

Lithium-Eisenphosphat (LFP): LFP-Kathoden weisen starke kovalente Bindungen auf, die eine hohe thermische Stabilität mit einem Eintrittsschwellenwert von 270–300 ℃ gewährleisten. Sie geben kein Sauerstoff ab, wodurch die Spitzen Temperaturen niedriger ausfallen (620–700 ℃). Allerdings entstehen bei diesen Vorgängen hohe Konzentrationen an Wasserstoff, der sich ansammeln und eine Explosionsgefahr schaffen kann. Ventilierungsstrategien müssen darauf abzielen, nicht verbrannte Gase schnell abzuleiten. Da LFP-Vorgänge nur minimale abrasive Auswürfe erzeugen, sind leichte, druckbetriebene Präzisionsventile äußerst wirksam.

Warum Avery Dennison?

Avery Dennison verbindet ein umfangreiches Portfolio an PSA-Produkten mit einer Unterstützung, auf die Hersteller zählen können, um maßgeschneiderte Lösungen für die Wärmeverwaltung zu entwickeln. Unser Portfolio ist darauf ausgelegt, die häufigsten Herausforderungen bei der Batterieentwicklung zu bewältigen – darunter die Verringerung der Entzündbarkeit (UL® 94 V-0), die Steigerung der Dielektrizitätsstärke sowie die Optimierung des Fertigungsprozesses.

Zusätzlich bieten wir umfassende Unterstützung, einschließlich Zugang zu Prüfanlagen und Zusammenarbeit mit Fachexperten. Als in den USA ansässiger Hersteller mit starker Präsenz in allen globalen Regionen gewährleisten wir den Zugang zu sowohl inländischen als auch internationalen Lieferketten.

Zusammenfassung

Die Verhinderung und Milderung eines thermischen Austritts bleibt eine entscheidende ingenieurtechnische Herausforderung, für die es keine einfache, einheitliche Lösung gibt. Erfolg erfordert eine vielschichtige Strategie, die Wärmeübertragung, Wärmedämmung sowie die Handhabung von entlüfteten Materialien berücksichtigt. PSA-Tapes, die mit Funktionsmaterialien kombiniert werden, sollten die Grundlage dieser Strategie bilden.

Wir freuen uns über die Gelegenheit, Ihre Herausforderungen bei der Batterieentwicklung zu besprechen und Strategien zur Wärmeverwaltung mithilfe von PSA-Tapes zu erarbeiten.

Für den nächsten Schritt wenden Sie sich bitte direkt an mich unter max.vanraaphorst@averydennison.com. Weitere Informationen finden Sie außerdem unter www.tapes.averydennison.com/evbattery.

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