Die Schäume, die die Innovation von EV-Batterien vorantreiben
Die überwiegende Mehrheit der Fahrzeuge auf den Straßen wird heute mit traditionellen Kraftstoffen betrieben, aber eines ist klar: Elektrofahrzeuge (EVs) machen große Fortschritte. Im Jahr 2021 wurden laut der Internationalen Energieagentur weltweit 6,6 Millionen EVs verkauft – mehr als doppelt so viele wie die 3 Millionen EVs, die 2020 verkauft wurden. Langsam aber sicher wird die individuelle Mobilität zunehmend von Elektrizität abhängig. Darüber hinaus bedeutet die vielfältige und wachsende Auswahl an Infotainment- und Navigationssystemen in modernen Fahrzeugen, dass heutige Fahrzeuge beispiellose Anforderungen an die Stromversorgung stellen.
Infolgedessen müssen EV-Batterien mehr Leistung, mehr Zyklen und eine längere Lebensdauer bieten, damit EVs wirklich florieren können. Lithium-Ionen-Batteriepacks (Li-Ion) bleiben aufgrund ihrer beeindruckenden Energiedichte und Ladeeffizienz die bevorzugte Energiequelle der EV-Industrie. Allerdings haben diese Batterien eine relativ kurze Lebensdauer und altern schnell, Probleme, die durch die anspruchsvollen Automobilumgebungen noch verschärft werden.
EVs, die von Li-Ion-Batterietechnologien angetrieben werden, haben in Bezug auf Reichweite oder Energiedichte noch nicht ganz zu traditionellen Fahrzeugen aufgeschlossen, was bedeutet, dass ein EV häufiger aufgeladen werden muss als ein Benzinfahrzeug betankt werden muss. Jeder Ladezyklus verringert die Gesamtkapazität der Batterie geringfügig und verkürzt ihre Lebensdauer.
Darüber hinaus verursacht das Aufladen eine interne chemische Veränderung, die sich als leichte Ausdehnung der physischen Abmessungen der Batteriezellen manifestiert. Dies kann zu einer Delaminierung der internen Batteriezellen und -komponenten oder sogar zu einer Verformung des Batteriepacks führen. Dies kann eine effektive Wärmeverwaltung verhindern, die Lebensdauer der Batterie weiter gefährden und im schlimmsten Fall zu einem thermischen Durchgehen führen.
Forschungen zu Batterien zeigen, dass die optimale Batterielebensdauer erreicht wird, wenn ein moderater Druck ausgeübt wird, um elektrische und thermische Verbindungen sicherzustellen, während die Batterie während ihrer Entlade- und Ladezyklen „atmet“. In großen Batteriepacks mit vielen Zellen kann dieses Atmen erheblich sein. Es gibt jedoch einige überraschende Materialtechnologien, die helfen, Delaminierung und Verformung in pouchartigen, aktiv gekühlten Li-Ion-Batteriepacks zu verhindern, wodurch mehr EVs und Hybride jeden Tag auf der Straße bleiben.
Dielektrische Schäume können die dimensionalen Veränderungen und Variationen der Batteriezellen aufnehmen, aber genug Druck auf das Zellpaket ausüben, um Verformungen und Unterbrechungen zu verhindern. Der Schaum hat eine federähnliche Eigenschaft, ist aber tatsächlich besser als eine Feder. Je mehr eine Feder sich biegt, desto höher ist die potenzielle Rückstellenergie. Schäume können jedoch so konstruiert werden, dass sie die gleiche, konsistente Rückstellenergie über einen weiten Bereich von Kompressionsmengen liefern, eine Eigenschaft, die als Kompressionskraftablenkung (CFD) bekannt ist. Federn sind außerdem thermisch und elektrisch leitfähig und können harte Stellen in der Batterie erzeugen.
Die Schaumstoffpolsterung in der Batterie hat auch eine beeindruckende Kompressionsbeständigkeit – die Fähigkeit eines Materials, einer dauerhaften Verformung unter Druckbelastung zu widerstehen. Die Leistung speziell entwickelter Polyurethan- und Silikonschäume überdauert die Lebensdauer der Batterie, was für andere potenzielle Materiallösungen wie andere Elastomere nicht zutrifft. Ein weiterer Vorteil ist der bemerkenswerte Betriebstemperaturbereich von Schaumstoffen, der viel größer ist als bei den meisten anderen Gummimaterialien.
Schaumstoffe sind auch unter den Belastungen der rauen Automobilumgebung zuverlässig. Sie haben eine hervorragende Beständigkeit gegenüber hohen und niedrigen Temperaturen. Sie sind außerdem thermisch isolierend und fördern die Ableitung von Wärme zum Kühlkörper, anstatt sie auf benachbarte Batteriezellen zu übertragen. Diese isolierende Eigenschaft wird durch die Kompression des Schaums nicht verringert. Dies ist von Bedeutung, da überschüssige Wärme die größte Bedrohung für Batterien und Elektronik darstellt. Die dielektrische Natur des Schaums verhindert auch Lichtbögen zwischen den Zellen.
Der Schutz der Batteriekomponenten ist von höchster Bedeutung, und Schaumstoffe bieten wichtige Lösungen.
Schaumstoff-Kompressionspads reduzieren die Auswirkungen von Vibrationen und Erschütterungen auf die Batteriekomponenten, was für jedes empfindliche System in Automobilanwendungen wichtig ist. Die Polsterung sorgt auch für eine ruhigere Fahrt für die Fahrzeuginsassen, da sie potenzielle Geräuschquellen in der Batterie reduziert. Durch das Abdichten der Lücken zwischen Zellen und anderen Komponenten verhindern speziell entwickelte Schäume das Eindringen von Verunreinigungen wie Feuchtigkeit und Schmutz. Li-Ion-Batterien, die überhitzen, können in thermischen Durchgang geraten, ein seltenes, aber ernstes Ereignis, bei dem die Batterien Feuer fangen. Daher ist Feuerbeständigkeit eine weitere wichtige Eigenschaft von kompressiblen Batteriepads, die durch speziell entwickelte Silikonschäume gewährleistet wird.
Die komplexen Anforderungen an Kompressionspads machen diese speziell entwickelten mikrozellulären Polyurethan- und Silikonschäume zu den optimalen Materialien. Hochleistungs-Polyurethanschäume sind bei Temperaturen zwischen -35°C und 70°C wirksam und lassen sich leicht an Größe, Dichte und Oberflächeneigenschaften anpassen. Saint-Gobain® Tape Solutions bietet speziell entwickelte Polyurethan-Kompressionspads in seinen Produkten der Norseal® PF47-Serie und der Norseal PF100-Serie an. Für Anwendungen, die einen größeren Temperaturbereich erfordern, sind Hochleistungs-Silikonschäume die bessere Wahl, mit einem Betriebstemperaturbereich von -51°C bis 204°C. Diese Silikonschäume tragen auch dazu bei, die Gefahren des thermischen Durchgangs zu mindern, da sie eine geringe Rauchentwicklung und geringe Flammenausbreitung mit einer UL94-Bewertung von V-0 aufweisen. Für diese Anforderungen liefert Saint-Gobain die Produkte Norseal F12 und Norseal F20.
Alle Norseal-Produkte liefern konsistenten, zuverlässigen Druck (CFD) auf die Batteriekomponenten über einen weiten Bereich von Kompressionskräften. Saint-Gobain bietet eine Vielzahl von Produkten mit unterschiedlichen CFD-Werten an, wodurch Kompressionspads für diverse Anwendungen geeignet sind. Kompressionspad-Materialien können auch mit oder ohne Klebeschicht geliefert werden.
Li-Ion-Batterien sind für EVs von entscheidender Bedeutung und werden dies auch in absehbarer Zukunft bleiben. Um das Wachstum von EVs mit aktuellen Technologien zu beschleunigen, muss jeder mögliche Gewinn an Batterieleistung umgesetzt werden. Hersteller denken kreativ darüber nach, wie sie längere Batterielebensdauern erreichen können, und die Erfahrung und das Know-how von Saint-Gobain werden bei diesen Innovationen eine Schlüsselrolle spielen. Saint-Gobain arbeitet bereits an der nächsten Generation von Kompressionspad-Materialien für die Batterien von morgen.
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