Wärmeleitfähige Übergangsmaterialien

Es wird heiß

Entwicklungen in Elektrofahrzeugen erhöhen die Anforderungen an Wärmeleitmaterialien. Peter Donaldson untersucht, was aktuell wichtig ist und was nicht.

Ein Wärmeleitmaterial hat eine auf den ersten Blick einfache Aufgabe: Es soll die mikroskopisch kleinen Luftlücken zwischen einer Wärmequelle und einem Wärmeableiter füllen, damit Wärmeenergie fließen kann. Jahrzehntelang wurde dies in der Regel mit einem einfachen Material aus einem Katalog erreicht, das anhand einer einzigen Zahl bezüglich der Volumenwärmeleitfähigkeit ausgewählt wurde. Das ist heute nicht mehr der Fall. Drei sich entwickelnde Trends in Elektrofahrzeugen führen zu grundlegenden Veränderungen bei diesen Materialien.

Erstens gibt es den Wandel hin zu Batteriarchitekturen vom Zell- zum Pack- und vom Zell- zum Chassis-Design. Das bedeutet, dass ein TIM nicht länger nur als Wärmeleiter zwischen einem Modul und einer Kühlplatte dienen kann. Stattdessen muss er ein struktureller Klebstoff mit großer Oberfläche, ein Hochspannungs-Elektrizitätsisolator sowie eine entscheidende Schutzmaßnahme bei einem thermischen Austritt sein. Zudem muss er schnell aufgetragen werden und über die gesamte Lebensdauer des Fahrzeugs halten.

Zweitens wird in Antriebsumrichtern zunehmend auf Halbleiter mit breitem Bandabstand wie SiC und GaN zurückgegriffen, wodurch die Knotentemperaturen über 200 °C steigen – in einen Bereich, in dem herkömmliche organische TIMs versagen und selbst Lötmaterialien mit hohem Bleigehalt an ihre Grenzen stoßen. Lösungen hierfür sind gesinterte Silber- und Kupferpasten, die die Verbindung in eine feste metallische Bindung verwandeln.

Drittens denkt die Branche nun über die anfängliche Leistung hinaus und befasst sich mit dem gesamten Lebenszyklus. Es wird nun nach TIMs benötigt, die auf unebenen Straßen in salzhaltiger Feuchtigkeit 15 Jahre oder länger halten, gleichzeitig aber sauber abgelöst werden können, damit die Batteriepacks repariert, wiederaufbereitet oder recycelt werden können. Die einfache Angabe in Watt pro Meter Kelvin (W/mK) zur Kennzeichnung der Wärmeleitfähigkeit in Datenblättern reicht nicht mehr aus.

Zu den wichtigsten Maßnahmen zur Vereinbarung hoher thermischer Leistungsfähigkeit und thermomechanischer Zuverlässigkeit gehören Polymere mit halbhaftenden Eigenschaften, wie z. B. Füllstoffe neuer Generation, oder wärmeleitende Klebstoffe mit hoher Haftkraft (TCAs). Je nach Temperaturbeständigkeit können Harztechnologien wie Polyurethan, Epoxid oder sogar Silikon eingesetzt werden, um die unterschiedlichen Anforderungen von Batteriesystemen, Stromumwandlungsanwendungen und Elektronik zur Batteriemanagement zu erfüllen.

Thermischer Dielektrikum-Trade-off

Eine Herausforderung besteht darin, dass eine erhöhte Wärmeleitfähigkeit oft auf Kosten der elektrischen Isolationsleistung in einem Wärmeübertragungsmittel geht. In vielen Fällen ist ein einzelnes Material nicht mehr in der Lage, beide Eigenschaften gleichzeitig zu optimieren, wodurch hybride Konzepte attraktiv werden. Ein solches Hybrid könnte beispielsweise hochwärmeleitfähige Keramikschichten mit einer sehr dünnen Wärmebrückenbeschichtung wie Wärmepaste oder einem Füllstoff kombinieren – letzterer dient ausschließlich dazu, Toleranzen auszugleichen und einen guten Wärmekontakt zu gewährleisten. Die genaue Lösung hängt stark von der Toleranzkette sowie dem Gesamtdesign der Schichten ab, doch mehrschichtige Ansätze könnten für bestimmte Anwendungen zu einem wichtigen Trend werden, wobei jede Schicht für ihre individuelle Funktion optimiert wird.

Eine weitere Perspektive ist, dass die nächste Generation von Verbundmaterialien auf neuartigen Polymernetzwerken basieren sollte, die darauf ausgelegt sind, stärkere und effizientere Schnittstellen sowohl zu Füllstoffen als auch zu Substraten zu schaffen. Obwohl es verlockend ist, sich auf ein oder zwei Schlüsselleistungsmerkmale zu konzentrieren, müssen Hochleistungsmaterialien eine weitaus breitere und oft widersprüchliche Ansammlung an Anforderungen erfüllen. Die eigentliche Herausforderung besteht darin, dieses Gleichgewicht so zu finden, dass zuverlässige Leistungen erzielt werden können und gleichzeitig eine robuste, hochkapazitive Fertigung möglich ist.

In Batteriedesigns vom Zellformat bis zur Endverpackung muss das TIM gleichzeitig als Wärmebrücke, struktureller Klebstoff und elektrischer Isolator fungieren. Diese Anforderung lenkt die Entwicklungs Prioritäten stärker in Richtung TCAs. Die Herausforderung besteht dabei darin, ein optimales Gleichgewicht zwischen Haftkraft und Elastizität zu finden, wenn solche Materialien zur Verbindung verschiedener Oberflächen sowie der in nächsten-Generation-Batterien verwendeten Materialien eingesetzt werden.

Durch die Änderung in der TIM-Entwicklung aufgrund von Zelle-zu-Pack-Architekturen rückt man vom Ziel ab, die Wärmeleitfähigkeit zu maximieren, und konzentriert sich stattdessen darauf, während der Lebensdauer der Batterie Wärme-, Mechanik- und Dielektrizitätszuverlässigkeit in Einklang zu bringen. Das Material muss große Oberflächen benetzen, Toleranzen ausgleichen, die Zellen verbinden oder stützen, Vibrationen und Alterung überstehen sowie unter Druck, Feuchtigkeit und thermischen Zyklen weiterhin eine elektrische Isolierung gewährleisten.

Die Eigenschaft, die am schwierigsten ohne Kompromisse zu erreichen ist, ist in der Regel die mechanische/strukturelle Leistungsfähigkeit. Wenn ein TIM haftfähiger oder belastbarer wird, neigt er dazu, steifer zu werden, schwerer zu bearbeiten, mehr Stress auszulösen und manchmal weniger widerstandsfähig gegen Zellanschwülung zu sein. Ein erhöhter Füllstoffgehalt verbessert die Wärmeleitfähigkeit, kann jedoch die Dehnbarkeit, Verarbeitbarkeit und die dieläktische Robustheit beeinträchtigen. Die richtige Wahl des Polymers kann einen erheblichen Unterschied machen, und ein Unternehmen konzentriert sich auf silikonbasierte Zwei-Komponenten-Materialien, die eine sehr gute Widerstandsfähigkeit gegen Anschwülung und Vibrationen bieten.

Ein weiterer Ansatz bezieht sich auf einen hochhaftenden Silikon, der auf der Standard-Flüssigkeitstechnologie für Füllstoffe basiert, wodurch ein TIM entsteht, der zwar etwas schwächer ist als ein spezieller Strukturkleber, aber für viele strukturelle Anwendungen ausreicht, sofern das gesamte System mechanisch robust ist.

Wechselseitig abhängige Eigenschaften

Eine hohe Wärmeleitfähigkeit ist außerdem schwer in einem Material zu erreichen, das alle Vorteile eines herkömmlichen Strukturklebstoffs mitbringen muss. Die Herausforderung, Wärmeleitfähigkeit gegenüber Haftfestigkeit, Dämpfungsfähigkeit, mechanischer Belastbarkeit, Langlebigkeit und Fertigbarkeit in Einklang zu bringen, ist besonders groß, da diese Eigenschaften stark miteinander verbunden sind. Die Verbesserung einer Eigenschaft wirkt sich oft nachteilig auf eine andere aus, weshalb es für Entwicklungsingenieure und Wissenschaftler entscheidend ist, bereits früh im Entwicklungsprozess Abwägungen und Prioritäten zu besprechen.

Bei der Bewältigung solcher Komplexitäten sind rechnerbasierte Methoden wie maschinelles Lernen in der Materialentwicklung zunehmend wertvoll. Solche digitalen Werkzeuge helfen nicht nur dabei, die Entwurfs- und Entwicklungsschleifen führender Materialhersteller zu optimieren, sondern gewähren Kunden auch Zugang zu „Data Cubes“, damit sie digitale Zwillinge zur Simulation ihrer zukünftigen Batteriesysteme nutzen können. Der Einsatz von KI unterstützt bereits bei der Erstellung prädiktiver Formulierungen und beseitigt so effektiv die Notwendigkeit für herkömmliche, iterative Formulierungsprozesse durch physisches Ausprobieren.

Doch KI benötigt ausreichende Daten und Erfahrungen, um effektiv zu funktionieren. Die Herausforderung bei der Formulierung neuer Dämmstoffe besteht darin, dass allein die Werte aus den Datenblättern nicht ausreichen. Zu den vielen weiteren zu berücksichtigenden Faktoren gehören die Oberflächenqualität und -struktur, der thermische Kontaktwiderstand, das Verhalten unter Kompression sowie die Wechselwirkungen innerhalb des gesamten Systems. Mit zunehmender Datenverfügbarkeit sollte es jedoch viel einfacher werden, die Leistungsfähigkeit der Dämmstoffe vorherzusagen und sie für eine bestimmte Anwendung anzupassen. Das Ziel ist es nicht unbedingt, dass die KI direkt die Formulierung eines Materials erzeugt, sondern es wäre praktischer, wenn sie die Anforderungen definieren und optimieren könnte. Sobald die gewünschten Leistungsparameter klar beschrieben sind, kann der Hersteller der Dämmstoffe KI-Modelle als Werkzeuge nutzen, um die Materialforschung und -entwicklung zu unterstützen.

Trotzdem ist die Branche noch weit davon entfernt, in einer Welt zu sein, in der ein Ingenieur eine Reihe von Anforderungen eingeben kann und sofort eine vollständig optimierte, für die Anwendung bereite Formulierung erhält, ohne physische Iterationen. Maschinelles Lernen, Moleküldynamik und verwandte Methoden werden immer wirksamer darin, den Entwurfsraum einzugrenzen, vielversprechende Chemiestrukturen zu identifizieren und Forschern dabei zu helfen, bereits früh im Entwicklungszyklus Kompromisse besser zu verstehen.

Hier wird die Vision schwieriger, nämlich in der Lücke zwischen den vorhergesagten Materialleistungen und dem Verhalten in der realen Anwendung. Die Zukunft wird wahrscheinlich weniger von Entwürfen ohne physische Iterationen geprägt sein, sondern eher von einem stark beschleunigten Entwicklungsprozess, bei dem die Rechenverarbeitung den größten Teil der Untersuchungen und Optimierungen übernimmt, während gezielte Tests die Leistung im echten System bestätigen.

Herausforderungen bei der Skalierung

Eine Fabrik, die Batteriepacks oder Leistungselektronik in großem Maßstab herstellt, unterscheidet sich stark von einem Labor, das TIMs an kleinen Proben testet. Die tatsächliche Produktion von Elektrofahrzeugen bringt zusätzliche Herausforderungen mit sich, wie große Flächen, Produkttoleranzen, lange Zykluszeiten, hohe Abgabegeschwindigkeiten, variable Dichtbedingungen, temperaturbedingte Schwankungen in den Produktionsstätten je nach Jahreszeit sowie eng abgestimmte Montageschritte.

Dies hat die Art und Weise verändert, wie einige Hersteller ihre Produkte testen – beispielsweise indem sie eigene Batteriesysteme entwickeln, um während der Entwicklung neue TIMs und andere Materialien in großem Maßstab einsetzen zu können, das System unter realen Fahrbedingungen laufen zu lassen und es schnellen Lade- und Entladevorgängen auszusetzen. Dadurch erhalten sie sehr frühzeitig Rückmeldungen.

Eine wichtige Erkenntnis ist, dass Schnittstellen und Prozesse die Leistung bei großem Maßstab bestimmen. Ein TIM – beispielsweise in Bandform – versagt selten aufgrund seiner inhärenten Leitfähigkeit, sondern vielmehr wegen von der tatsächlichen Produktion verursachter Oberflächenunregelmäßigkeiten, Toleranzunterschieden, ungleichmäßigem Druck sowie Einschränkungen bei der Hochgeschwindigkeitsmontage. Es ist daher entscheidend, TIMs von Anfang an so zu konzipieren, dass sie eine robuste Fertigung ermöglichen – was die Gewährleistung eines schnellen Benetzens bei niedrigem Druck, Toleranz gegenüber Schwankungen sowie einer stabilen Leistung über den gesamten Produktionszeitraum einschließt, auch bei der robotergestützten Anwendung in der Endmontage.

Ein Ansatz zur Skalierung beinhaltet frühzeitige Prüfung von Coupons – hinsichtlich der Kompressionseigenschaften, der Wärmeleitfähigkeit im Verhältnis zum Kompressionsverhältnis sowie des Deformationsverhaltens unter Druck – und gleichzeitig die Bereitstellung von Proben zur Bewertung in Kombination mit den Komponenten der Kunden, um eine Validierung unter realen Montagebedingungen zu ermöglichen. Im gesamten Prozess ist es wichtig, die Leistungsfähigkeit hinsichtlich aller Parameter zu bewerten, um sowohl vorhergesehene als auch unvorhergesehene Probleme im Einklang mit Standards wie IATF 16949 zu identifizieren, und gleichzeitig den Kunden detaillierte Erläuterungen zur Unterstützung ihrer eigenen Bewertungen zu liefern.

Regionale Anwendungszentren für Batterien stellen eine Innovation bei der Verarbeitung von Materialien für die Produktion dar. Solche Zentren unterstützen außerdem die Prüfung, indem sie den Kunden vor dem Kauf von Fertigungsanlagen in erster Linie frühzeitige Informationen zu den Produktionsparametern liefern.

Daher wird es von Tag eins an immer wichtiger, sich auf das gesamte System zu konzentrieren. Eine frühzeitige Abstimmung zwischen dem TIM und den Prozessanlagen – beispielsweise mit Beteiligung des Lieferanten des Dosiersystems in einer frühen Phase – gilt zunehmend als entscheidend. Wenn Material- und Gerätekombinationen bereits aus früheren Projekten bewährt sind, können viele potenzielle Probleme vermieden werden. Ist das Material neu, können „Grenzwertproben“ für kritische Parameter bereitgestellt werden, um ein stabiles Prozessfenster zu definieren.

Ziel ist es nicht einfach, ein TIM zu schaffen, das unter idealen Bedingungen gut funktioniert, sondern eines, das auch in der nicht-idealen, hochgeschwindigen Umgebung, in der es eingesetzt wird, vorhersagbar, skalierbar und zuverlässig bleibt.

Reparatur, Wiederverwendung, Recycling

Zu den wichtigsten Anforderungen, die Materialentwickler für Batterien und viele andere Anwendungen erfüllen müssen, gehören neben der Fertigbarkeit und Leistung im Betrieb nun auch die Reparierbarkeit sowie die Recyclierbarkeit. Es entstehen verschiedene Ansätze zur Erfüllung dieser Anforderungen an Kreislaufwirtschaft. Einer davon ist das auf Verlangen durchgeführte Trennen mithilfe verschiedener Auslösemechanismen. Beispielsweise gibt es elektrisch ausgelöste, wärmeleitende oder strukturelle Klebstoffe zur Erleichterung von Reparaturen sowie in Entwicklung befindliche, thermisch ausgelöste Funktionsbeschichtungen zur Förderung der Recyclierbarkeit.

Anstatt eines Auslösers ermöglichen einige TIMs von Natur aus die Demontage. Einige Füllflüssigkeiten für Spalten weisen beispielsweise eine sehr gute Haftung auf, können aber dennoch bei Bedarf getrennt werden.

Ein weiterer derzeit in Entwicklung befindlicher Ansatz ist ein wärmeleitendes Spritzgusskunststoffmaterial. Da es sich um einen Thermoplast handelt, verspricht dieses Material nicht nur die Reparatur von Modulen zu ermöglichen, sondern auch, den TIM selbst recycelbar zu machen – ein wichtiger Durchbruch, denn herkömmliche TIMs, seien es Füllstoffe für Spalten, Klebstoffe oder Dämpfpolster, sind im Allgemeinen nicht recycelbar und können nicht wiederverwendet werden.

Wirklich nachbearbeitbare, hochleistungsfähige TIMs sind möglich – aber nur, wenn sie von Anfang an als gemeinsame Gestaltungsaufgabe betrachtet werden. Dafür ist eine enge Zusammenarbeit zwischen Entwicklern der Verpackungsdesigns und Materialforschern erforderlich, denn die Nachbearbeitbarkeit ist nicht etwas, das später ohne Folgen hinzugefügt werden kann. Es wird zu Kompromissen in der Leistungsfähigkeit des Materials kommen, und es ist entscheidend, diese frühzeitig zu erkennen, damit das endgültige Design ein richtiges Gleichgewicht zwischen thermischer Leistung, Fertigbarkeit und Wartbarkeit erreichen kann. Mehrere solcher Materialien sind derzeit für Anwendungen in Elektrofahrzeugbatterien verfügbar.

Die Nachbearbeitbarkeit stellt eine gestalterische Herausforderung auf Systemebene dar. Anstatt einer mühelosen Entfernung unter allen Bedingungen ist das Ziel eine kontrollierte, vorhersehbare Trennung ohne Beschädigung der Komponenten.

Auf dem Weg zur Langlebigkeit

Im Bestreben nach einer effizienten Nutzung von Materialressourcen ist die Langlebigkeit genauso wichtig wie Reparierbarkeit und Recycelbarkeit. Von den Entwicklern wird verlangt, eine Leistung über einen weitaus längeren Zeitraum zu gewährleisten, als sie physisch testen können – oft 15 Jahre – weshalb verschiedene andere prädiktive Ansätze eingesetzt werden. Die Kombination aus jahrzehntelanger Erfahrung mit angesammelten Testdaten, beschleunigten Belastungs- und Alterungstests sowie intelligenten digitalen Simulationen ist ein wirksames Mittel, um die langfristige Leistung zu bestätigen.

Bei beschleunigten Tests ist es wichtig zu beachten, dass sie nur dann sinnvoll sind, wenn sie reale Versagensmuster widerspiegeln, wie zum Beispiel den Verlust der Kontaktdruck oder eine Degradation an der Schnittstelle. In Kombination mit stabilen Formulierungen und konservativen Designmargen kann so ein glaubwürdiger, physikbasierter Vertrauensanspruch in die langfristige Leistung geschaffen werden.

Zusätzlich unterstützt die Bereitstellung von Richtlinien zu den wichtigsten Faktoren, die die Leistung unter Montagebedingungen beeinflussen können – wie zum Beispiel das Oberflächenkontaktverhältnis sowie die empfohlenen maximalen Kompressionsgrade des Materials – Kunden dabei, ihre Montagebedingungen zu planen, und ermöglicht eine zuverlässigere Überprüfung der langfristigen Systemstabilität.

Erfahrung in der Leistungselektronik ist besonders hilfreich, um die Langlebigkeit zu gewährleisten, da die in diesen Anwendungen verwendeten Wärmeleitmaterialien Temperaturen ausgesetzt sind, die erheblich höher liegen als bei Batterien – oft über 150 °C.

Mechanische Eigenschaften wie die Haftung können weiterhin von spezifischen Belastungsbedingungen abhängen, doch auch hier werden Materialien in der Regel unter Berücksichtigung höherer Anforderungen konzipiert. Die Durchführung von beschleunigten Alterungsprüfungen gemeinsam mit Kunden bleibt wichtig, doch insbesondere bei silikonbasierten Materialien ist der auf sie in Batteriesystemen ausgeübte thermische Stress in der Regel nicht der begrenzende Faktor. Oft dreht sich die Diskussion weniger darum, ob das Material 15 Jahre überdauern kann, sondern vielmehr darum, welche Prüfungen durchgeführt werden sollten, wie lange sie dauern müssen und welche Validierungsstrategie angewandt werden soll.

In Anwendungen im Sekundärmarkt, wie zum Beispiel bei der Energiespeicherung, werden Batteriemodule oft umgebaut oder in unterschiedliche Systeme integriert, wo sie geringeren Betriebsbedingungen ausgesetzt sind als im Automobilbereich – beispielsweise geringerer Schwingungsdruck – und wo ihre Nutzungsdauer möglicherweise noch länger sein kann.

Flüssigkeitskühlte Elektronik

Die Flüssigkeitskühlung ist in allen EV-Batterien außer den kleinsten zum Standard geworden, während sie in Rechenzentren von den Racks mit Verarbeitungssystemen auf die Chips selbst übergeht. Auch in sehr leistungsstarken EV-Wechselrichtern wird sie zunehmend eingesetzt, wenn auch nicht auf dieselbe Weise wie in Rechenzentren. Die direkte Chipkühlung stützt sich auf dieselben grundlegenden Prinzipien der Wärmeleitpaste wie andere fortschrittliche Kühlmethoden, erfordert aber weitaus strengere Anforderungen. Da diese Systeme bei extrem hohen lokalen Wärmeströmen arbeiten, sind eine streng kontrollierte Dicke der Verbindungsleitungen, eine ausgezeichnete Flachheit der Kühlplatte sowie präzise mechanische Belastungen notwendig. Schon kleine Abweichungen können die Intensität der Hotspots verstärken, den thermomechanischen Stress erhöhen und die Zuverlässigkeit der Verpackung in Frage stellen. Dadurch wird die Anforderung an die Leistungsfähigkeit der Wärmeleitpaste erhöht, wodurch eine ursprünglich oft auf das Material beschränkte Entscheidung zu einem vollständigen Systemdesignproblem wird.

Da die Kühlung dem SiC-Chip näher kommt, verschiebt sich die Rolle des TIMs von der Massenwärmeleitung zur präzisen Interfacedesign-Technik. Hier werden ultradünne Verbindungslinien, fehlerfreier Kontakt, Spannungsreduzierung sowie Zuverlässigkeit bei schnellen thermischen Änderungen entscheidend.

Festkörperprobleme

Neue Festkörperbatterien versprechen eine höhere Energiedichte, erzeugen aber neue thermomechanische Spannungen an den Schnittstellen zu Kühlelementen. In heutigen Lithium-Ionen-Zellen sind TIMs in der Regel so konzipiert, dass sie das Aufquellen und die Bewegung während der Lebensdauer der Batterie kompensieren können; doch Anforderungen werden durch Zellen beeinflusst, die sich auf andere Weise als die heutigen Pouch- und Prismazellen aufblähen.

In Festkörpersystemen verschiebt sich die Anforderung hin zur Aufrechterhaltung eines präzisen, gleichmäßigen Kontakts in einer weitaus weniger nachsichtigen mechanischen Umgebung. Eine verringerte Schwellung bedeutet beispielsweise weniger natürliche Kompensation für Toleranzen, wodurch die Bedeutung eines stabilen Kontakts unter kontrollierter Druckbelastung zunimmt.

Das bedeutet, dass die nächste Generation von TIMs mehr leisten muss als nur Bewegungen aufzunehmen und ein streng kontrolliertes Gleichgewicht aus Elastizität, dimensionsaler Stabilität, thermischen Eigenschaften sowie langfristiger Zuverlässigkeit der Schnittstelle zu gewährleisten. Die Herausforderung liegt weniger im Umgang mit Ausdehnungen und mehr darin, den Kontakt zu bewahren – schließlich können selbst kleine Veränderungen an der Schnittstelle heute einen weitaus größeren Einfluss haben als zuvor. TIMs werden weniger nach ihrer Spitzenleitfähigkeit, sondern vielmehr nach langfristiger Schnittstellenstabilität, Elastizität sowie vorhersehbarem mechanischem Verhalten über die gesamte Lebensdauer der Zelle bewertet.

Daher ist es wichtig, zwischen der Ausdehnung der Zellen in horizontaler Richtung – also der Ausdehnung zwischen den Zellen – und der Belastung in vertikaler Richtung zu unterscheiden, wobei das TIM typischerweise unter den Zellen angeordnet ist. Die Ausdehnung ist in der Regel vertikal stärker eingeschränkt, weshalb die Anforderungen an Festkörperbatterien vermutlich keine grundlegenden Herausforderungen für die Entwickler von TIM darstellen.

Von der Sicht der Wärmeverwaltung aus könnte dies eher eine Weiterentwicklung als eine Umstellung bedeuten. Beispielsweise könnten zukünftige Zellkonzepte die Ausdehnung in bestimmte Bereiche lenken, während sie in anderen eingeschränkt wird. Wenn nur ein Teil der Zelloberfläche zur Wärmeableitung genutzt werden kann, könnte die verfügbare Fläche kleiner werden, doch dies lässt sich mit leistungsstärkeren Wärmematerialien ausgleichen.

Derzeit scheinen die Anforderungen an Festkörperbatterien die Entwicklung von äußerst flexiblen, fest verbundenen, wärmeleitfähigen TCAs anzutreiben, deren Wärmeleitfähigkeit zwischen 1,3 und 2,0 W/mK liegt. Zum Zeitpunkt der Abfassung unterscheidet sich dies nicht wesentlich von den Leistungsmerkmalen der derzeit entwickelten Batterie-TIMs.

Eine höhere Energiedichte wird voraussichtlich die Nachfrage nach besserer Wärmeleitfähigkeit erhöhen, doch dies ist bereits erreichbar. In der Leistungselektronik werden bereits Materialien mit deutlich höherer Wärmeleitfähigkeit als die der bestehenden Batterie-TIM-Lösungen eingesetzt.

Wie in vielen Bereichen der Technologie im Zusammenhang mit der Elektromobilität führen die Anforderungen an die Leistung, Fertigbarkeit, verlängerte Lebensdauer sowie geringeren Umweltaufwand von Wärmeleitverbindungen dazu, dass einst einfache Produkte in Bezug auf die dafür erforderliche Ingenieurskunst weitaus komplexer werden.

Danksagungen

Der Autor möchte sich bei Holger Schuh, Senior Manager für Wärme- und Verarbeitungstechnologien bei Henkel; Wolfgang Hoefer, Leiter der Geschäftseinheit bei Kerafol; Eric Wyman, Business Development Manager bei Parker, sowie Shane Thompson, Engineering Manager für Elektronikmaterialtechnologien ebenfalls bei Parker; und Experten von Saint-Gobain bedanken.

Einige Lieferanten für Wärmeleitverbindungen

C-Therm

Dow

Gravic Group

HB Fuller

Henkel

KERAFOL

Laird

Parker

Saint-Gobain

Sika