Fortschritte bei thermischen Klebstoffen: Verbesserung der Leistung von Batteriezellen in der Verpackung sowie zwischen Zellen und Bändern für Elektrofahrzeuge

Ein Schlüssel für die Weiterentwicklung von Lithium-Ionen-Akku-Packungen mit hoher Energiedichte ist die effektive Steuerung der während der Lade- und Entladevorgänge entstehenden Wärme. Die Wärme wird häufig durch die Verbindung der Akkuzellen und/oder -module mit einer Kühlplatte oder einem Kühlsystem mithilfe wärmeleitender Materialien (Füllstoffe oder Klebstoffe) geregelt. In der Regel handelt es sich dabei um zweikomponentige polymerische Harze mit keramischen Füllstoffen, die durch das Vertreiben von Luft nicht nur von mikroskopisch kleinen Oberflächen, sondern auch aus großen Spalten die Wärmeleitung fördern.

Die Architektur von Akku-Packungen für Elektrofahrzeuge wird durch die Form der Zellen bestimmt: Taschenform, zylindrisch oder prismaförmig. Die Zellart hat einen maßgeblichen Einfluss auf das Design der Module/Packungen sowie auf die Anforderungen an Materialien zur Wärmebewirtschaftung.

Taschen- und zylindrische Zellen werden in der Regel zu Modulen zusammengebaut, und diese Module werden wiederum im Pack zusammengeführt. Taschenzellen benötigen diese Bauweise aufgrund ihres Mangels an struktureller Steifigkeit, während zylindrische Zellen sie aufgrund der hohen Stückzahl (>1000) benötigen. Früher wurden prismatische Zellen auf dieselbe Weise behandelt, doch mit dem Aufkommen der Architektur „Zelle zu Pack/Platte“ gibt es keine Notwendigkeit mehr für Module.

Im Allgemeinen werden Taschenzellenstapel auf drei Arten zu Modulen geformt, typischerweise unter Verwendung eines thermischen Klebstoffs oder Füllstoffs für die Zwischenräume, wobei anschließend entweder bei Raumtemperatur abgekühlt wird oder Kontakt mit einem Kühlsystem hergestellt wird:

Eingefügt in eine Hülle ohne Klebstoffe oder Wärmanagement

Eingefügt in eine Hülle mit thermischen Klebstoffen

Übereinander gestapelt mit einem Aluminium-Wärmeleiter zwischen jeder Zelle, mit oder ohne Wärmematerial

Zylindrische Zellmodulkonstruktionen lassen sich in drei Kategorien einteilen, bevor sie in das Paket eingefügt und mit dem Kühlkreislauf verbunden werden:

Eingefügt in Kunststoffträger mittels Passformverbindung oder strukturellen Klebstoffen

An der Seite mit einem Kühlband mittels thermischem Klebstoff verbunden

In einer Anordnung fixiert und anschließend die Unterseiten der Zellen mit einem thermischen Klebstoff an eine Hülle oder eine Kühlplatte geklebt

Prismatische Zellen werden typischerweise mithilfe eines thermischen Klebstoffs oder eines Füllstoffs verwendet, um Module oder Pakete zu bilden (die Module werden in das Paket eingefügt):

Module entstehen durch das Gruppieren der Zellen zu einem Stapel und deren anschließende Einsetzung in eine Modulhülle oder auf eine Kühlplatte, wobei sowohl thermische Klebstoffe als auch Füllstoffs verwendet werden

Pakete entstehen direkt durch das Verkleben großer Zellen (~1 m Länge) mit einer Unterplatte mittels thermischer Klebstoffe oder Füllstoffs

Möglichkeiten und Herausforderungen

Für jede Formgröße gibt es zahlreiche Möglichkeiten und Herausforderungen im Bereich Design und Fertigung.

Zu den Herausforderungen bei Pouch-Zellen gehören:

Minimale strukturelle Steifigkeit, die ein zusätzliches Gehäuse erfordert

Verwendung von Polyethylen-Folien mit niedriger Oberflächenenergie als äußerste Schicht der Folientasche, was die maximale Stärke von auf Klebstoff basierenden Konstruktionen einschränkt

Geringe Oberfläche zur Wärmeableitung, wenn die Zellen ohne Wärmeverteiler gestapelt werden (d.h. keine Kühlung an den Rändern)

Zu den Herausforderungen bei zylindrischen Zellen gehören:

Kleinere Zellgröße, wodurch viele Zellen benötigt werden, um die Reichweite des Fahrzeugs zu erreichen

Hoher Zellzähler, der eine präzise Positionierung erfordert, um eine ordnungsgemäße Verarbeitung in nachfolgenden Schritten zu gewährleisten

Erhebliche Anforderungen an mechanische Befestigungen

Nickelbeschichtete Stahlflächen, die schwer zu verkleben sind

Eine Zelle kann auch ohne Verwendung von PVC-Shrink-Schlauchhüllen funktionieren

Zu den Herausforderungen bei prismatischen Zellen gehören:

Eine größere Oberfläche pro Zelle im Vergleich zu zylindrischen oder taschenförmigen Zellen, was zu Toleranzproblemen sowohl bei der Zelle als auch bei der Kühlplatte/Packung führt

Der Einsatz von Schrumpffolien oder -bändern mit niedriger Oberflächenenergie zur dieläktischen Schutzfunktion, was die maximale Stärke von auf Klebstoffen basierenden Konstruktionen einschränkt

Eine höhere Flexibilität ist aufgrund der größeren Flächen erforderlich, was zu mehr Toleranzen bei der Stapelung sowie zu höheren Spannungen durch thermische Ausdehnung führt

Viele dieser Herausforderungen können mithilfe von Wärmeausfüllstoffen oder thermischen Klebstoffen gemildert werden.

Frühe Anwendungen von EV-Akkupacks setzten auf eine geringe Anzahl hochspezialisierter Formulierungen. Heute profitieren EV-Akkusysteme von einem breiteren Portfolio an wärmeleitenden Materialien, die zwar weiterhin speziell für die Anforderungen von Akkupacks entwickelt werden, aber ein breiteres Spektrum an Leistungs- und Verarbeitungsoptionen bieten.

Für die Herstellung von Elektrofahrzeugbatterien entwickelte Wärmeleitklebstoffe

Zwei-Komponenten-Acryl-Strukturklebstoffe werden seit 50 Jahren zur Verbindung von Automobilpaneelen eingesetzt. Ihre Fähigkeit, direkt auf verschiedenen Metallen und Oberflächen zu haften sowie bei Raumtemperatur zu aushärten, hat die Menge an notwendigen mechanischen Befestigungen und/oder Schweißarbeiten erheblich reduziert. Ebenso werden seit 60 Jahren zwei-Komponenten-thermleitende Füll- und Verkapselungsmaterialien verwendet, um elektronische Komponenten zu schützen und Wärme abzuleiten.

Als Branchenführer in beiden Bereichen konnten Wissenschaftler bei Parker Lord diese beiden Technologien kombinieren und so eine neue Klasse von Klebstoffen entwickeln: thermleitende Strukturklebstoffe.

Parker Lord’s CoolTherm TC-2002 Thermally Conductive Structural Adhesive war das erste kommerzielle Produkt in dieser Kategorie. Seine hohe Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit, in Kombination mit der Fähigkeit, nikeldichtes Stahl zu pulverbeschichtetem Aluminium zu verbinden und bei Raumtemperatur in relativ kurzer Zeit zu aushärten, ermöglichten erhebliche Gestaltungsfreiheit für zylindrische Batteriemodule.

Sobald neue Designs für die Verbindung von Zellen mit Gehäusen sowie Zellen mit Platten in den Antriebssträngen von Elektrofahrzeugen auf den Markt kommen, wird die Rolle von Wärmeleimstoffen immer wichtiger. Es besteht ein wachsender Bedarf an innovativen Wärmeleimstoffen, die Batteriezellen effektiv mit Gehäusekomponenten verbinden und gleichzeitig Leistungs- sowie Herstellungsprobleme bewältigen.

Zu den wichtigsten Verbesserungen bei akryl- und urethanbasierten Wärmeleimstoffen gehören:

Anpassbare Verbindungsstärke für strukturelle oder nachbearbeitbare Gehäusekonstruktionen

Höhere Dehnbarkeit für verbesserte Langlebigkeit

Anpassbare Aushärtungsgeschwindigkeiten

Methoden zur Erleichterung der Hochdurchsatzfertigung.

Die neueste Entwicklung von Parker Lord ist das thermisch leitfähige Acryl-Klebstoffprodukt CoolTherm TC-850, das auf den Eigenschaften des CoolTherm TC-2002 aufbaut. Durch die Nutzung neuer Innovationen bei Strukturklebstoffen ist eine viermal höhere Dehnbarkeit sowie eine verbesserte Haftung an Kunststoffen und Beschichtungen möglich geworden.

Eine Anmerkung zu den Verbindungslinien – im Allgemeinen bieten Klebstoffe bei dünneren Verbindungslinien eine höhere Festigkeit. Eine Standard-Verbindungsline beträgt 250 µm, doch wenn es darauf ankommt, den Wärmewiderstand zu verringern, sind dünnere Verbindungslinien immer besser. Für diese Produkte wurde eine Dicke von 100 µm als ideal ermittelt. Diese Dicke gewährleistet eine ausreichende Bruchfestigkeit, reduziert den Materialverbrauch und senkt die erforderliche Wärmeleitfähigkeit.

Siehe unten eine Abbildung, die zeigt, dass ein Material mit 0,5 W/m∙K und einer Verbindungsline von 100 µm einen geringeren Wärmewiderstand aufweist als ein Material mit 1 W/m∙K und einer Verbindungsline von 250 µm.

Zusammenfassung

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Auswahl eines thermischen Klebstoffs, der zu den spezifischen Designs und Anforderungen zwischen Zellen und Batteriepacks passt, Batteriepack-Entwicklern sowie Materialingenieuren das Wissen vermittelt, um Leistung, Zuverlässigkeit und Kosteneffizienz der Batteriepacks zu optimieren.

Parker Lord verfügt über umfangreiche Expertise und Kenntnisse, die Ihnen bei der Entwicklung von EV-Batterien helfen können. Wenn Sie gerne mit einem ihrer Anwendungsingenieure in Kontakt treten möchten, um mit der Arbeit zu beginnen, wenden Sie sich noch heute an uns.

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