Innovative Presskissen für maximale Leistung von EV-Batteriezellen
Der Aufschwung von Elektrofahrzeugen (EV) hält unvermindert an und zeigt keine Anzeichen einer Verlangsamung. Laut dem Edison Electric Institute wird die Anzahl der EV auf britischen Straßen bis 2030 voraussichtlich auf 18,7 Millionen steigen, gegenüber einer Million Ende 2018. Darüber hinaus berichtete das UK Department for Energy Security and Net Zero, dass es im Jahr 2008 weniger als 500 Ladestationen für EV im Vereinigten Königreich gab; bis 2019 stieg diese Zahl auf über 20.000 mit mehr als 68.800 Ladepunkten.
Dieser Anstieg der EV wird zu einer wachsenden Nachfrage nach Batterien führen. Jüngste Prognosen gehen von einer jährlichen Wachstumsrate von 20 % aus, was laut IDTechEx bis 2026 zu einem Marktvolumen von 12 Milliarden £ führen soll.
Es gibt jedoch eine Einschränkung. Das Versprechen effizienter Elektrofahrzeuge (EV) mit großer Reichweite kann nur durch Verbesserungen in der Batterietechnologie realisiert werden — insbesondere durch Batterien, die schneller laden und eine längere Lebensdauer aufweisen. Während ein Großteil davon von der Wahl der Batteriechemie und deren Weiterentwicklung abhängt, besteht weiterhin erhebliches Verbesserungspotenzial bei der Auswahl der Materialkomponenten, die in der Batterie verwendet werden.
Arten von EV-Batteriezellen
Batteriezellen sind die grundlegendsten Einheiten zur Energiespeicherung in Hybridfahrzeugen und Elektrofahrzeugen (EV). Es gibt drei Arten von Batteriezellen, die in EV eingesetzt werden können: zylindrische, prismatische und Pouch-Zellen. Jede Batteriezelle verfügt über eine Anode und eine Kathode, die voneinander getrennt sind, wobei sich die jeweilige Ausführung je nach Zelltyp unterscheidet.
Zylindrische Zellen sind in der Herstellung die kostengünstigsten pro Kilowattstunde (kWh) an Speicherkapazität. Aufgrund ihres runden Querschnitts nutzen sie den verfügbaren Raum jedoch weniger effizient als andere Zelltypen, wodurch zylindrische Batteriepacks größer und schwerer ausfallen.
Prismatische Zellen nutzen den verfügbaren Bauraum aufgrund ihrer rechteckigen Form und ihres schichtweisen Aufbaus optimal aus. Neben ihrem Einsatz in Mobiltelefonen, Tablets und Laptops sind prismatische Zellen auch in großen Formaten verfügbar, die für elektrische Antriebsstränge in Hybridfahrzeugen und EV eingesetzt werden können. Im Betrieb ist eine gewisse Zellschwellung normal, weshalb entsprechende Ausdehnungsreserven berücksichtigt werden müssen.
Pouch-Zellen sind die kleinste und leichteste Zelltechnologie. Ihr flexibles Gehäusekonzept gewinnt aufgrund der sehr hohen Packungseffizienz zunehmend an Bedeutung. Eine Pouch-Zelle erreicht eine Packungseffizienz von 90 % bis 95 % und liegt damit an der Spitze aller Batteriepacks. Im Betrieb weisen Pouch-Zellen typischerweise eine stärkere Zellschwellung auf als prismatische Zellen. In beiden Fällen muss diese Zellschwellung, wie im Folgenden beschrieben, kontrolliert werden.
Unabhängig davon, ob eine Batterie eine einzelne Pouch- (oder prismatische) Zelle oder mehrere in Reihe geschaltete Zellen verwendet, muss ein optimaler Druck auf alle Zellen aufrechterhalten werden, um eine minimale Kapazitätsabnahme sicherzustellen. Zu diesem Zweck werden in der Regel Batterie‑Presskissen eingesetzt.
Kontraktion und Ausdehnung von Batteriezellen
Bei den derzeit am häufigsten eingesetzten Batteriechemien für Elektrofahrzeuge (EV) treten in der Batterie zwei Arten von physikalischen Maßänderungen auf, die durch die elektrochemischen Reaktionen verursacht werden. Die erste ist die Ausdehnung und Kontraktion während des Lade- und Entladevorgangs, wodurch sich die Zelldicke zyklisch verändert. Diese Veränderungen sind größtenteils reversibel. Die zweite Veränderung ist die Zunahme der Zelldicke von BoL (Beginning of Life) bis EoL (End of Life). Diese Veränderung ist in der Regel irreversibel. Diese irreversible Zunahme der Zelldicke erfolgt schrittweise über wiederholte Lade- und Entladezyklen.
Bei Betrachtung der ersten, reversiblen Maßänderung zeigen Studien, dass das Anlegen einer optimalen Einschränkung es den Zellen ermöglicht, ihre Kapazität über einen längeren Zeitraum zu erhalten. Werden die Zellen stärker als optimal eingeschränkt, nimmt die Kapazität schneller ab, und es kann zudem die Stabilität der Zellen beeinträchtigt werden, was zu unsicheren Zuständen wie thermischem Durchgang führen kann. Andererseits kann ein zu geringer Druck dazu führen, dass sich die Zellen unkontrolliert in eine Richtung ausdehnen, was wiederum zu einem Verlust elektrischer Verbindungen oder des Kontakts zur Kühlplatte (für das thermische Management) führen kann. Daher ist ein optimaler Druck erforderlich, damit die Zellen ihre Kapazität langfristig beibehalten (Cannarella & Arnold, 2014). Dieser optimale Druck kann durch die Verwendung eines geeigneten Elastomer-Polsters (oder Presskissens) zwischen den Zellen erreicht werden, das über die notwendige Rückstellfähigkeit verfügt, um die Kompression und Ausdehnung der Zellen über einen langen Zeitraum auszugleichen.
Thermisches Management beschreibt die Fähigkeit, die Temperatur eines Batteriearrays zu kontrollieren. Batterien neigen dazu, sich schnell zu erwärmen, insbesondere bei Betrieb unter Volllast oder während des Schnellladens. Das Hauptziel des thermischen Managements von Batteriepacks besteht darin, Temperaturunterschiede zu minimieren, also die Temperatur innerhalb des Batteriepacks in einem engen Bereich zu halten (in der Regel zwischen 3 °C und 4 °C bei Umgebungsbedingungen von -35 °C bis 50 °C).
Es gibt zwei unterschiedliche Ansätze zur Steuerung der innerhalb eines Batteriepacks entstehenden Wärme. Der erste besteht darin, die Wärme abzuführen, was aufgrund des erforderlichen Kühlsystems mit Kühlplatte und Kühlflüssigkeiten (Zirkulation eines Glykol-basierten Mediums durch die Kühlplatte) komplex sein kann. Die zweite Möglichkeit besteht darin, die einzelnen Batteriebestandteile mithilfe eines thermischen Materials voneinander zu isolieren, in der Regel durch einen Elastomerschaum mit intrinsischen Temperaturbeständigkeit.
Presskissen für EV-Batterien
Presskissen sind dafür verantwortlich, den Druck auf die Oberfläche einer Pouch-Zelle (und in einigen Fällen auch einer prismatischen Zelle) aufrechtzuerhalten. Weist das Elastomer‑Presskissen eine geringe Rückstellfähigkeit oder eine unzureichende Erholung auf, kann dies dazu führen, dass sich die Zellen teilweise frei ausdehnen, was – wie zuvor beschrieben – zu einem schnelleren Kapazitätsverlust führt. Darüber hinaus isolieren sie die Zellen voneinander und stellen sicher, dass die Wärme hauptsächlich über das thermische Schnittstellenmaterial zur Kühlplatte abgeführt wird, wodurch eine gleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb des Zellstapels gefördert wird.
Die Batterie‑Presskissenlösungen von Saint‑Gobain umfassen Silikon- und mikrozellulare Polyurethan‑Schaumstoffe. Die federähnlichen Eigenschaften des Schaums sorgen für ein gleichbleibendes Druck‑Verformungs‑Verhalten über einen großen Bereich von Kompression und Temperatur. Dabei beschreibt das Druck‑Verformungs‑Verhalten die Spannung bei einer bestimmten Dehnung unter Berücksichtigung der Spannungsrelaxation im Material. Dies entspricht der tatsächlichen Spannung, die während der Ausdehnung der Zellen im Ladezyklus wirkt. Da diese Zellenausdehnung relativ langsam erfolgt, hat das Schaummaterial bereits Zeit, sich zu entspannen. Zusätzlich nimmt – wie zuvor beschrieben – die Zelldicke mit zunehmendem Alter zu, was zu einem kontinuierlichen und schrittweisen Anstieg der nominalen Spannung auf das Presskissen führt. Das Presskissen sollte daher keine übermäßige Spannung auf die Zelle ausüben, da dies die Zellleistung negativ beeinflussen kann. Es ist daher entscheidend, dass das Verhalten des Presskissens über einen großen Dehnungsbereich eine möglichst konstante Spannung aufweist, sodass über viele Lade- und Entladezyklen hinweg ein „optimaler“ Druck aufrechterhalten wird. Die Bedeutung der Druck‑Verformungs‑Kurve bei der Auswahl eines Presskissens für höhere Leistungsfähigkeit und längere Batterielebensdauer sollte nicht unterschätzt werden. Zudem sollte der Schaum eine hohe Beständigkeit gegenüber bleibender Verformung aufweisen und gleichzeitig elektrisch isolierend wirken, um Lichtbogenbildung innerhalb der Module zu minimieren bzw. zu verhindern.
Die Presskissen der Norseal PF Serie von Saint‑Gobain bieten nicht nur die Fähigkeit, Zellschwellungen auszugleichen, sondern auch mechanische Unterstützung, indem sie relative Bewegungen zwischen den Zellen bei Schock oder Vibration minimieren und so zur Aufrechterhaltung der strukturellen Integrität des Batteriepacks beitragen. Mit zunehmender Automatisierung wird es entscheidend, die Anzahl der Prozessschritte und Komponenten in der Fertigung zu reduzieren. Die Presskissen der PF Serie wurden mit einer inhärenten Anfangshaftung entwickelt, sodass kein zusätzliches Klebeband oder Klebstoff erforderlich ist, um die Presskissen während der Montage an den einzelnen Zellen zu fixieren, was den Automatisierungsprozess deutlich vereinfacht. Um unterschiedliche Automatisierungsprozesse zu unterstützen, kann das Maß der Anfangshaftung gezielt angepasst werden. Insgesamt bieten diese Presskissen eine anpassbare Bandbreite an Dichten, Dicken und Anfangshaftung.
Die Presskissen der Norseal PF Serie (Abbildung 2), einschließlich der Produkte der Serien PF27, PF47 und PF100, bieten die größte Bandbreite an Dicken in der Branche, selbst bei Dichten von 140 kg/cm³. Die Dichte ist einer der entscheidenden Faktoren zur Minimierung des Gesamtgewichts des Moduls, des Batteriepacks und letztlich des Fahrzeugs. Die Flexibilität der Norseal PF Serie, verfügbar in verschiedenen Dichten und Dicken, ermöglicht eine Anpassung an unterschiedliche Zellchemien und Packkonfigurationen.
Norseal PF27 ist in Dicken ab 1 mm erhältlich und unterstützt damit die Erreichung einer höheren Energiedichte im Batterypack. Die Norseal PF20 Serie erfüllt zudem die Anforderungen an das Brandverhalten gemäß ASTM D4986 (äquivalent zu UL94 HBF). Wichtig ist, dass die Eigenschaften und die daraus resultierende Funktion des Schaums über die Zeit hinweg sowie über unterschiedliche Umgebungsbedingungen hinweg sehr konstant bleiben.
Wie PF27 ist auch Norseal PF47 eine Produktreihe mikrozellularer Polyurethan‑Schaumstoffe, die speziell für die effiziente Funktion von Batterien in einem Batterypack entwickelt wurden. Im Unterschied dazu ist PF47 in Dicken von ≥ 2 mm verfügbar.
Die kürzlich entwickelte Norseal PF100 Serie zeichnet sich durch einen hochwertigen mikrozellularen Polyurethan‑Schaum aus, der den größten und gleichzeitig flachsten Kompressionsbereich innerhalb des PF‑Serienportfolios bietet – eine entscheidende Leistungskennzahl, die von heutigen Batteriepack‑Designern häufig gefordert wird. Die PF100 Serie weist eine herausragende, branchenführende Beständigkeit gegenüber bleibender Verformung auch im gealterten Zustand bei erhöhten Temperaturen (bis zu 90 °C) und hoher Luftfeuchtigkeit auf, was wesentlich zur Verlängerung der Lebensdauer des Batteriepacks beiträgt. Die Leistungsfähigkeit der PF100 Serie wird bei der niedrigsten Kombination aus Dicke und Dichte in der Branche erreicht, wodurch Konstrukteure die Energiedichte und den verfügbaren Bauraum maximieren und gleichzeitig das Gesamtgewicht minimieren können.
Diese Eigenschaften und die daraus resultierenden Funktionen des Schaums bleiben über die Zeit sowie über verschiedene Umgebungsbedingungen hinweg konstant und gewährleisten eine lange Lebensdauer des Batteriepacks. Wie bereits erwähnt, zeigt sich der Schlüssel zur Leistungsfähigkeit in der Druck‑Verformungs‑Kurve (Abbildung 3). Abbildung 4 verdeutlicht die hervorragende Beständigkeit gegenüber bleibender Verformung der PF100 Serie Presskissen selbst bei erhöhten Temperaturen, beispielsweise 90 °C, sowie bei hoher Luftfeuchtigkeit wie 85 % relativer Feuchte.
Darüber hinaus sind die Presskissen Norseal F‑12 und F‑20 weiche, leichte Silikonschaumstoffe, die eine ausgezeichnete Feuerbeständigkeit bei gleichzeitig geringer Toxizität und Rauchentwicklung bieten und die höchste Brandklassifizierung nach UL94 V‑0 erfüllen. Norseal F‑12 zeichnet sich durch eine modifizierte Zellstruktur und eine geringe Dichte aus, während Norseal F‑20 über eine feinere geschlossenzellige Struktur mit mittlerer Dichte verfügt.
Fazit
Das Versprechen effizienter, kostengünstiger und reichweitenstarker Elektrofahrzeuge (EV) kann nur durch Fortschritte in der Batterieproduktionstechnologie realisiert werden. Moderne Schaumstoffmaterialien wie die Norseal PF Serie bieten gleichbleibende und zuverlässige Leistung über einen breiten Temperaturbereich, sind im Hinblick auf automatisierte Fertigungs- und Platzierungsprozesse ausgelegt und ermöglichen ein geringes Gewicht bei gleichzeitiger Verbesserung der Robustheit der Batterie. Ihr Einsatz wird eine entscheidende Rolle für das weitere Wachstum von EV spielen.
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