Zukunftsweisender Schutz für EV‑Batterien ohne Kompromisse

Der Verkauf von Elektrofahrzeugen, oder EVs, nimmt zu. Das US-Verkehrsministerium hat ein kontinuierliches Wachstum gemeldet über einen Zeitraum von fünf Jahren bis 2020 sowie Rekordhöhen im März 2021 – sowohl in Bezug auf den Marktanteil von Leichtfahrzeugen als auch auf das gesamte monatliche Verkaufsvolumen. Die Internationale Energieagentur hat ebenfalls bedeutende Fortschritte bei den weltweiten Verkäufen von Elektroautos gemeldet im letzten Jahrzehnt; China, der größte Markt, führt auch weltweit bei der Elektrifizierung von Stadtbussen. Vollständig batteriebetriebene Elektrofahrzeuge (BEVs) mit höherer Packungsdichte machen ebenfalls einen größeren Anteil der insgesamt verkauften EVs aus.

Zu den wichtigsten Treibern dieser Trends gehört die kontinuierliche Weiterentwicklung des Batteriepackdesigns und der Schutzmateriallösungen, die entwickelt werden, um die Lebensdauer zu verlängern und die Leistung zu maximieren. Noch entscheidender für den Schutz des Batteriepacks ist die Notwendigkeit, Sicherheit zu gewährleisten, insbesondere im Fall eines thermischen Durchgehens. Thermisches Durchgehen tritt auf, wenn ein thermisches Ereignis von Zelle zu Zelle übergeht, eine Kaskade erzeugt – und letztendlich eine Explosion.

Trotz der offensichtlichen Bedeutung dieses Schutzes gab es Mängel bei den Materiallösungen, die historisch auf dem Markt verfügbar waren. Unsere neue Produktlinie geht jedoch direkt auf diese Mängel ein.

Grundlagen des Batteriepackschutzes

Die Nutzbarkeit von EVs als Transportoption hängt von der Wiederaufladbarkeit ihrer Batteriepacks ab. Diese Packs bestehen im Allgemeinen aus Modulen, in denen sich Cluster einzelner Batteriezellen befinden. Die Zellen durchlaufen interne chemische Veränderungen während der Lade-/Entladezyklen, die dazu führen, dass sie sich ausdehnen und zusammenziehen – ein Prozess, der manchmal als „Atmen“ bezeichnet wird.

Dieser Prozess führt zu einer Schwachstelle im System, die die Stabilität der elektrischen und thermischen Verbindungen beeinträchtigt. Typischerweise wird dies durch dielektrische Kompressionspolster gelöst, die zwischen den Zellen eingesetzt werden, um Druck aufrechtzuerhalten und Verbindungen zu sichern, während die Batterie dennoch „atmen“ kann. Diese Polster bieten auch thermische Isolierung zwischen den Zellen, indem sie Wärme von einer Zelle zu einem Wärmesenker leiten und grundlegendes thermisches Management bereitstellen.

Interne Defekte oder äußere Bedingungen können auch zu vorzeitiger Alterung der Zellkomponenten führen. Mechanische Belastungen können in Form eines Fahrzeugunfalls oder einer direkten Penetration in die Batterie auftreten, was zu einem Kurzschluss und einer Überhitzung einer Zelle führen kann. Überladung oder äußere Hitzeeinflüsse könnten ebenfalls zu einer erhöhten Temperatur der Batterie führen. Da diese Zellen dicht gepackt sind, ist es möglich, dass ein thermisches Ereignis auf benachbarte Zellen oder Module übergeht.

Einzelne Materialien wurden entwickelt, um die Möglichkeit einer thermischen Ausbreitung zu verringern, aber – wie bei jedem nicht-zellulären Material – verringert ihre Integration in die EV-Batteriekonstruktion die Energiedichte des Packs. Daher zwingt das Design einer EV-Batterie für extreme Bedingungen oft zu einer Wahl: maximale Energiedichte und Leistung oder Sicherheit. Dies ist eine Art von Kompromiss, die kein Hersteller jemals eingehen sollte.

Kombinationsansatz

Wir haben eine Lösung für dieses Dilemma entwickelt, indem wir die lebensdauerverlängernde Funktion eines kompressiblen Polsters und die lebensrettende Kraft des Schutzes vor thermischem Durchgehen in einem einzigen Produkt kombiniert haben, das minimale Auswirkungen auf die Energiedichte hat und gleichzeitig einen umfassenderen Schutz bietet.

Die Norseal^® TRP-Serie wurde entwickelt, um Batteriezellen innerhalb eines definierten Schutzbereichs zu halten, und kann als Kompressionspolster für Pouch-Zellen-Packs oder als Polster für prismatische Hartschalen-Packs dienen. Anstelle von anfälligen Elastomermaterialien kommen dielektrische Schäume zum Einsatz, die mit einer vorhersehbaren Kompressionskraftablenkung (CFD) konstruiert sind. Dies ermöglicht es ihnen, über einen breiten Bereich von Kompressionsmengen und Temperaturen während der Lebensdauer des Batteriepacks konsistente Rückstellenergie zu liefern. Der niedrige Kompressionssatzwert des Schaums bedeutet auch, dass er einer dauerhaften Verformung unter Druckbelastungen widerstehen kann.

Gleichzeitig dient der Schaum nicht nur als temperaturbeständiger thermischer Isolator, sondern auch als Schutz vor thermischem Durchgehen – daher die „TRP“-Bezeichnung im Namen der Produktlinie. Der Schaum ist so konstruiert, dass er hitzeabsorbierend und flammenresistent ist, benachbarte Zellen vor exothermischen Reaktionen schützt und dazu beiträgt, die Ausbreitung eines thermischen Ereignisses von einer Zelle zur anderen zu verringern. Er ist auch elektrisch isolierend und verhindert Lichtbögen innerhalb von Modulen.

Typische Eigenschaften umfassen:

• Flächendichte: 1,02 kg/m² (0,21 lb/ft²) bei 3,2 mm Dicke
• CFD: 76 kPa (11 psi) bei 25%; 170 kPa (25 psi) bei 50%
• Kompressionssatz: 5%
• Thermische Isolierung, R-Wert: 0,33 K.m²/W (1,9 h.ft² °F/Btu.in)
• Betriebstemperaturbereich: -50°C bis 200°C (-58°F bis 392°F)
• Dielektrische Festigkeit: 3,4 kV/mm (85 V/mil)

Erhältlich in Rollen oder Blättern für einfache und sichere Handhabung und Montage bietet die Norseal TRP-Serie Standarddicken von 2,0, 3,2 und 4,78 mm (0,078, 0,125 und 0,188 Zoll).

Weiter vorantreiben

Darüber hinaus wird derzeit eine neue Produktlinie entwickelt, die dort ansetzt, wo die Standard-Norseal TRP-Serie aufhört. Die Norseal TRP1000-Serie ist ein modifizierter Silikonschaum, der ein Kompressionspolster mit einem höherwertigen Schutzpolster gegen thermisches Durchgehen in einem patentierten, mehrschichtigen Design kombiniert.

Im Vergleich zur ersten Generation der Norseal TRP-Serie bietet TRP1000 eine höhere Haltbarkeit, um einem thermischen Ereignis standzuhalten, sowie eine höhere Temperatur- und Flammenbeständigkeit. Die vollständigen Spezifikationen sind noch nicht abgeschlossen, aber erste Bewertungen haben beeindruckende Ergebnisse gezeigt. Dazu gehören:

• Keine Selbstentzündung und gemessene Temperaturdifferenz von mehr als 600°C (1112°F) bei fünfminütiger Einwirkung einer 800°C (1472°F) heißen Platte
• Materialintegrität und Isolierung erhalten; gemessene Temperaturdifferenz von mehr als 600°C (1112°F) bei sechsminütiger Einwirkung einer 1000°C (1832°F) direkten Flamme

In Entwicklung befindliche Konfigurationen umfassen Dickenoptionen von 1,6 mm (A/B-Konstruktion) und 3,2 mm (A/B/A-Konstruktion) (0,062 und 0,125 Zoll).

Unser Ansatz zum Batterieschutz ist umfassend. Mit sowohl der Norseal TRP- als auch der TRP1000-Serie haben wir eine Strategie entwickelt, die Batterielebensdauer, Leistung und Sicherheit ohne Kompromisse oder Abstriche ausbalanciert. Sowohl unsere bestehenden Lösungen als auch neue Materialien in der Entwicklung befinden sich an der Spitze der sich entwickelnden EV-Technologie und bieten zukunftsorientierte Lösungen, die den Weg für eine Zukunft ebnen, in der immer mehr EVs auf den Straßen der Welt unterwegs sind.

Wichtiger Hinweis und Haftungsausschluss: Norseal TRP1000 ist ein Entwicklungsprodukt, das noch nicht für den Verkauf kommerzialisiert wurde. Die Spezifikationen sind noch nicht abgeschlossen. Derzeit können wir keine Garantie für die Verfügbarkeit, das Design, die Zusammensetzung, die Leistungseigenschaften, die Qualität, die Spezifikationen oder die Preise des Produkts geben, und alle oder einige davon können sich ohne Vorankündigung ändern, wenn wir das Produkt tatsächlich kommerzialisieren. Dies sind vorläufige Daten, und die hierin diskutierten Daten stellen nur beste Schätzungen für die aktuelle Produktkonstruktion dar, deren Genauigkeit oder Vollständigkeit nicht garantiert ist. Solche Daten sollten nicht für Spezifikationszwecke verwendet werden.