Thermische Verwaltung von Batterien durch konzeptionelle Planung: Wie fortschrittliche Materialien die nächste Generation von EV-Batterien ermöglichen

Sponsert von H.B. Fuller

Im Zuge der Weiterentwicklung von Elektrofahrzeugen unterliegt das Batteriedesign einer grundlegenden Veränderung.

Autoproduzenten stehen unter Druck, innerhalb desselben Batteriesystems eine längere Fahrstrecke, schnelleres Laden, niedrigere Kosten, verbesserte Sicherheit sowie nachhaltigere Herstellungsverfahren zu bieten. Um diese Ziele zu erreichen, reichen allein Fortschritte in der Zellchemie nicht aus. Immer häufiger stammt die Innovation aus der Batteriarchitektur sowie den Materialien, die solche Architekturen möglich machen.

Der Wandel von traditionellen Zelle-zu-Modul-Designs hin zu Konfigurationen im Stil Zelle-zu-Paket und Zelle-zu-Chassis veranschaulicht diesen Trend perfekt. Diese Batteriedesigns der nächsten Generation maximieren die Energiedichte und verringern das Gewicht, stellen aber gleichzeitig neue Herausforderungen in Bezug auf die strukturelle Integrität, die Wärmebehandlung sowie den Schutz vor thermischem Austritt dar. Die Bewältigung dieser Herausforderungen hat fortschrittliche Klebstoffe, Dichtstoffe und brandhemmende Schaumstoffe von unterstützenden Materialien zu entscheidenden Faktoren für die Leistungsfähigkeit gemacht.

Die Entwicklung des EV-Batteriedesigns

Über viele Jahre hinweg folgten EV-Batterien einer Zelle-zu-Modul-Architektur. Einzelne Zellen wurden zu Modulen zusammengefügt, und mehrere dieser Module wiederum in ein Batteriepaket integriert, das im Fahrzeug montiert wurde.

Der Ansatz bot mehrere Vorteile, insbesondere die Reparierbarkeit. Defekte Module konnten ohne Demontage des gesamten Batteriesystems ersetzt werden, was dazu beitrug, die Stillstandzeiten des Fahrzeugs zu verringern. Allerdings verursachen die Moduleinschübe zusätzliches Gewicht, beanspruchen wertvollen Platz und erhöhen die Herstellungskomplexität.

Zur Steigerung der Effizienz und Reichweite haben Hersteller zunehmend Designs von Zelle zu Packung übernommen. Durch das Entfernen der Moduleinschübe und die direkte Integration der Zellen in die Packung werden Batteriesysteme leichter und können bei gleicher Größe mehr aktives Material aufnehmen. Das Ergebnis ist eine höhere Energiedichte und eine längere Fahrreichweite.

Der nächste Schritt in dieser Entwicklung ist das Konzept von Zelle-zu-Chassis, bei dem die Batteriezellen zu einem integrierten Strukturkomponenten des Fahrzeugs werden. Diese Architektur verringert das Gewicht und die Herstellungskomplexität weiter, während sie die Raumnutzung maximiert. Gleichzeitig stellt sie jedoch höhere Anforderungen an die Materialien, mit denen die Batterie zusammengehalten wird.

Sobald die Batteriestrukturen stärker integriert sind, müssen die Materialien mehrere Funktionen gleichzeitig erfüllen: sie müssen strukturelle Stabilität bieten, thermische Belastungen bewältigen, elektrische Komponenten isolieren und dazu beitragen, bei extremen Bedingungen die Sicherheit zu gewährleisten.

Warum die Wärmebehandlung zu einer unverzichtbaren Designanforderung geworden ist

Eine höhere Energiedichte bringt klare Vorteile für die Fahrleistung mit sich, erzeugt aber gleichzeitig erhebliche thermische Herausforderungen.

Sobald die Zellen enger beieinander angeordnet werden und der Energiebedarf steigt, entsteht während des Ladevorgangs sowie in Betrieb mehr Wärme. Übermäßige Hitze kann die Alterung der Batterie beschleunigen, die Effizienz verringern und das Risiko von thermischen Ausfällen erhöhen. Die Aufrechterhaltung stabiler Betriebstemperaturen ist nicht länger nur eine ingenieurtechnische Überlegung – sie stellt vielmehr eine grundlegende Voraussetzung für die Leistung, Zuverlässigkeit und Sicherheit von Batterien dar.

Diese Realität treibt die Nachfrage nach neuen Strategien zur Wärmeverwaltung sowie nach Materialien, die in der Lage sind, Wärme effizient abzuleiten, empfindliche Komponenten zu schützen und im Falle von Defekten diese einzudämmen. Von Klebstoffen und Verkapselungsmaterialien wird zunehmend erwartet, dass sie zu dieser Funktion beitragen und gleichzeitig die strukturellen Eigenschaften gewährleisten.

Die wachsende Rolle von flammschützenden Schaumstoffen

Zu den Materialien, deren Einsatz zunehmend an Bedeutung gewinnt, gehören strukturell entflammbare Schaumstoffe.

Ursprünglich hauptsächlich als Sicherheitsmaterialien betrachtet, spielen diese Schaumstoffe heute eine weitaus breitere Rolle bei der Batterieentwicklung. Sie helfen Herstellern, das Ziel der Gewichtsreduzierung zu erreichen, indem sie schwerere mechanische Stützen und Kunststoffkomponenten ersetzen, während gleichzeitig eine strukturelle Verstärkung im gesamten Batteriebauteil gewährleistet wird.

In fortgeschrittenen Batteriearchitekturen können entflammbare Schaumstoffe mehrere Funktionen erfüllen:

Die Ausbreitung eines thermischen Austritts zwischen den Zellen eindämmen

Das Gewicht der Batterie verringern

Strukturelle Stützung bieten

Die Vibrationstoleranz verbessern

Die Wärmedämmung sowie die Temperaturgleichmäßigkeit erhöhen

Die Herstellungsprozesse für Batterien vereinfachen

Für OEMs, die Zelle-zu-Pack- oder Zelle-zu-Chassis-Konfigurationen anstreben, werden diese Vorteile besonders wertvoll. Durch die Möglichkeit, mechanische Komponenten zu entfernen, ohne die Integrität der Batterie zu beeinträchtigen, tragen strukturelle Schaumstoffe dazu bei, eine höhere Energiedichte zu erreichen, ohne die Sicherheit zu gefährden.

Jenseits der Konformität: Die Bedeutung des Schutzes vor thermischem Austritt

Für Batteriedesigner ist die Eindämmung eines thermischen Austritts zu einem der wichtigsten Kriterien bei der Auswahl von Batteriematerialien geworden.

Da Batteriesysteme immer energiedichter werden, ist es unerlässlich, thermische Ereignisse innerhalb einer einzelnen Zelle einzudämmen. Hochleistungsfeuerhemmende Schaumstoffe sind speziell so konzipiert, dass sie die Ausbreitung von Wärme verlangsamen oder verhindern, wodurch sichergestellt wird, dass ein lokales Ereignis sich nicht auf den gesamten Batteriepack ausbreitet.

Zu den Standards für die Entflammbarkeit wie UL94 gehören wichtige Messgrößen zur Bewertung der Wirksamkeit von Materialien. Ein V-0-Rating zeigt, dass ein Material in der Lage ist, sich schnell selbst zu löschen und die Ausbreitung der Flamme zu minimieren, wodurch Herstellern von Batterien mehr Vertrauen in die Gesamtsicherheit des Systems entsteht.

Sonstwohl Regulierungsbehörden, Automobilhersteller und Verbraucher zunehmend Wert auf die Sicherheit von Batterien legen, werden Materialien, die aktiv zur thermischen Schutzfunktion beitragen, zu einem wettbewerbsmäßigen Vorteil statt nur zu einer Compliance-Anforderung.

Batterien für die Zukunft entwerfen

Die Elektrifizierung erstreckt sich weit über Personenkraftwagen hinaus.

Batteriespeichersysteme (BESS), Flotten im gewerblichen Transport, Geräte für den Außendienst, Schwere Lastkraftwagen sowie neu entstehende Anwendungen in der elektrischen Luftfahrt stehen alle vor ähnlichen Herausforderungen: dem Ausgleich von Leistung, Sicherheit, Gewicht und Langlebigkeit. Obwohl jede Anwendung eigene Anforderungen hat, profitieren alle von Materialien, die eine gute strukturelle Leistung bieten und gleichzeitig zur Wärmebehandlung sowie zum Brandschutz beitragen können.

Sobald die Batterietechnologien weiterentwickelt werden, benötigen Hersteller zunehmend Partner, die nicht nur mit Materialien vertraut sind, sondern auch verstehen, wie diese Materialien innerhalb eines integrierten Batteriesystems miteinander interagieren. Frühzeitige Zusammenarbeit zwischen Batteriedesignern und Materialexperten kann dabei helfen, Designs zu optimieren, Entwicklungszeiten zu verkürzen und kostspielige Probleme in der späteren Produktion zu vermeiden.

Ein materialzentrierter Ansatz für Innovationen in Elektrofahrzeugen

Die nächste Generation an Leistungsmerkmalen von Elektrofahrzeugen wird nicht allein durch die Batteriezellen bestimmt.

Sie wird davon abhängen, wie effektiv die Hersteller fortschrittliche Materialien in Batteriedesigns integrieren, die leichter, sicherer, thermisch effizienter sind und in größerem Maßstab hergestellt werden können. Von Strukturklebstoffen und Wärmeleitmaterialien über brandhemmende Schaumstoffe bis hin zu Barrieren gegen Wärmeausbreitung wird die Materialinnovation zum entscheidenden Treiber für Innovationen in der Batterietechnologie.

Da die Branche auf leistungsstärkere Batteriesysteme zusteuert, ist eine gezielte Wärmemanagement-Lösung nicht mehr optional – sie ist eine Voraussetzung für die Zukunft der Elektrifizierung.

Nicht alle Schaumstoffe (und Anbieter von Schaumstoffen) sind gleich

Die brandhemmende Schaumstoffart, die Sie für Ihre BESS-, eVTOL- oder EV-Batterien wählen, hängt von Ihren Anforderungen ab. Die Auswahl Ihres Schaumstofflieferanten hingegen hängt von Expertise, Produktleistung und Support ab. H.B. Fuller bietet Kunden in Europa, Asien und den Vereinigten Staaten ein breites Sortiment an brandhemmenden Schaumstoffen an.

In den Vereinigten Staaten gehören zu den brandhemmenden Schaumstoffen:

H.B. Fuller EV Protect 4006: Ein halbstruktureller Schaumstoff, der das Gewicht der Batterien verringert, vor Ausbreitung von Wärme schützt und Schall-, Vibrationen- sowie Reibungsresistenz bietet.

H.B. Fuller EV Protect 5008: Ein struktureller Schaumstoff mit verbessertem Support. Er ist für Teile und Komponenten in Batterien sowie EVs konzipiert.

H.B. Fuller EV Protect 5009: Hochwertiger Struktur-Schaum, der Herstellern ermöglicht, herkömmliche Strukturelemente zu reduzieren oder durch ihn zu ersetzen. Ideal für Designs, bei denen die Zellen direkt am Chassis befestigt werden.

H.B. Fuller arbeitet weltweit mit Batterieherstellern, OEMs und Systemintegratoren zusammen, um Klebstoffe, Dichtstoffe, Lösungen für die Wärmeverwaltung sowie brandhemmende Materialien für die nächste Generation von Elektromobilitäts- und Energiespeichersystemen zu entwickeln.

Mehr erfahren Sie unter hbfuller.com/electric-vehicles.

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