Kompressionspolster zur Steigerung der Akkuleistung
Nach Angaben von Nick Flaherty haben Forscher bei Saint-Gobain prädiktive Modelle entwickelt, um das mechanische Verhalten von Kompressionspolstern in Akkupacks genau vorherzusagen.
Lithium-Ionen-Zellen weisen während der Lade- und Entladezyklen eine Ausdehnung sowie Zusammenziehung auf, außerdem kommt es aufgrund des Alters zu einem irreversiblen Schwellen. Kompressionspolster sind entscheidende Komponenten, um die Leistungsfähigkeit von Akkupacks über ihre gesamte Lebensdauer hinweg zu gewährleisten.
Die Hauptfunktion einer Kompressionsmatte besteht darin, als kompakter Polster zwischen den Zellen zu wirken und die volumetrischen Schwankungen durch gleichmäßigen und optimierten Druck auszugleichen. Indem sie den Stress durch die Ausdehnung der Zellen aufnimmt und die strukturelle Integrität innerhalb des Moduls bewahrt, verringern Kompressionsmatten die Degradationsmechanismen und maximieren so die Langlebigkeit sowie Sicherheit des Batteriesystems über Tausende von Zyklen hinweg.
Die Forscher haben die grundlegenden mechanischen Eigenschaften elastomerischer Polster unter einer Reihe von Bedingungen charakterisiert, wie unterschiedlichen Kompressionsgeschwindigkeiten und Temperaturen, die direkt mit realistischen Batterieanwendungen zusammenhängen. Die langfristige mechanische Belastbarkeit der Polster wird durch die Bewertung ihrer Leistung über Tausende von Lade- und Entladezyklen bei verschiedenen Betriebstemperaturen gemessen, wodurch ihre Fähigkeit bestätigt wird, über einen langen Zeitraum hinweg einen konstanten Druck aufrechtzuerhalten.
Durch das Verwenden von Modellierung und Simulation können Entwickler den Gestaltungsbereich virtuell erkunden und so die Entwicklung optimierter Designs für Kompressionspolster in Batteriepack-Anwendungen beschleunigen.
Durch die Unterstützung bei der Aufrechterhaltung des richtigen Drucks auf den Zellen während des Betriebs tragen Kompressionsschäume zu einer besseren Kapazitätsbewahrung und einer längeren Akkulaufzeit bei. Zudem helfen sie, Bewegungen der Zellen auszugleichen, Vibrationen zu verringern und einen elektrischen Isolationseffekt innerhalb des Akkumoduls zu gewährleisten.
Zur Simulation der Bedingungen im Akkupack werden zyklische Belastungstests in einem weiten Temperaturbereich durchgeführt – von unter Null Grad bis zu 60–70 °C. Ein 3000-Zyklen-Test mit konstanter Dehnung simuliert außerdem den langfristigen Betriebsdruck auf das Material.
„Forschungen in den letzten zehn Jahren haben gezeigt, dass der auf die Zelle ausgeübte Druck direkt ihren Lebensdauer und ihre Kapazitätsbeibehaltung beeinflusst. Es gibt einen optimalen Druckbereich – beispielsweise typischerweise zwischen 20 und 40 Kilopascal für Taschenzellen – der die Leistung und Langlebigkeit maximiert. Ist der Druck zu hoch oder zu niedrig, kann die Batterie viel schneller abnehmen oder sogar vorzeitig versagen“, sagte Weilin Deng, leitender Forschungsingenieur bei Saint-Gobain.
Modellierung ist wichtig, da es keine einheitliche Lösung gibt, da die Anforderungen an Batterien je nach Zellchemie und Design variieren. Prismatische Zellen benötigen beispielsweise mäßig steife Materialien, während Taschenzellen in der Regel weichere Kompressionspolster erfordern und Festkörperbatterien sehr steife Kompressionspolster benötigen.
Das digitale Tool ermöglicht es, die Kompressionseigenschaften von Materialien entsprechend anzupassen. Anhand von Daten zur Deformation unter Kompressionskraft wird die Leistung bei verschiedenen Kompressionsebenen – wie 20 %, 50 % und 70 % – bewertet, um spezifischen Anwendungsanforderungen gerecht zu werden, ohne sich ausschließlich auf Labortests zu verlassen.
Das Tool empfiehlt geeignete Materialien und optimale Dicken und zeigt dabei die entsprechenden Spannungs-Dehnungskurven an. Beispielsweise kann es vorschlagen, ein Material wie PF150 in einer bestimmten Dicke zu verwenden, um definierte Qualitätsanforderungen zu erfüllen.
Zudem unterstützt es mehrmaterialbasierte Konstruktionen, indem verschiedene Schaumstoffe kombiniert werden, um das gemeinsame Kompressionsverhalten zu bewerten.
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