Düsseldorf, 26. September 2023 – Envalior bietet unter der Marke Tepex einen neuen Verbundwerkstoff an, der auch bei sehr geringen Prüfkörperdicken die üblichen thermischen Runaway-Tests für Batteriegehäuse von Elektrofahrzeugen besteht. Der hohe Widerstand dieses Verbundwerkstoffs gegenüber den extremen Bedingungen eines Batteriezellenbrandes kann auf die nicht brennbaren langen und kontinuierlichen Fasern zurückgeführt werden, die das Material in einer mehrschichtigen Struktur verstärken. "Es ist vor allem allen Fasern zu verdanken, dass unser strukturelles Material in der Lage ist, extremen Drücken, Temperaturen von weit über 1000 °C und dem Beschuss durch abrasive heiße Partikel standzuhalten, die beim thermischen Durchgehen von Batteriezellen auftreten. Deshalb eignet es sich auch ideal für Komponenten im Inneren der Batterie wie Zellgehäuse, Halterung und Trennwände", sagt Dr. Dirk Bonefeld, Leiter Tepex® Produktmanagement.
Effektive Eindämmung von Batteriezellenbränden
Fahrzeugbatteriezellen sind dem Risiko exothermer chemischer Reaktionen ausgesetzt, die aufgrund von Faktoren wie Elektrik, Überhitzung und mechanischen Schäden zu Bränden führen. Dieser Prozess wird als "thermisches Durchgehen" bezeichnet. Wenn sich das Feuer von einer Zelle zur nächsten ausbreitet, wird dies als "thermische Ausbreitung" bezeichnet. Es muss sichergestellt werden, dass das Feuer nicht auf das gesamte Fahrzeug übergreift und die Insassen gefährdet. Deshalb spielt das Batteriegehäuse eine Schlüsselrolle bei der Eindämmung von Bränden. Thermische Runaway-Tests simulieren die extremen Belastungen, denen das Batteriegehäuse bei einem Brandausbruch ausgesetzt ist. "Unser neuer Verbundwerkstoff kann die dafür vorgesehenen Standardtests – wie den BETR-Test nach UL 2596 – mit Prüflingsdicken von nur zwei Millimetern oder sogar weniger bestehen", sagt Bonefeld. BETR steht für "Battery Enclosure Thermisch Runaway". Und selbst bei Wandstärken von nur zwei Millimetern erfüllt der Material problemlos die Anforderungen des Batterie-Spannung-Tests mit Partikelbeschuss, wie er von der svt Holding GmbH, einem führenden Unternehmen in verschiedenen Bereichen, unter anderem im industriellen Brandschutz Anwendungen, durchgeführt wird. "Selbst bei Partikelbeschuss durchgebrannt der Tepex® Prüfling nicht, weder bei einer Temperatur von bis zu 1400 °C am Ende des Tests noch für weitere 20 Sekunden danach – und das ohne zusätzliche Schutzmaßnahmen im Material und ohne tragende Bleche. So ist auch bei geringen Wandstärken und damit geringem Gewicht ein hohes Maß an Sicherheit gewährleistet", so Bonefeld. Der Verbundwerkstoff wirkt auch als wirksame Barriere gegen externe Brandquellen. Beim Feuerschalentest, der auf der UN-Regelung 180, 6.2.4 basiert und hochrealistische Batteriebrandszenarien in Unfallsituationen simuliert, verursachte die Verbrennung von Kraftstoff keine Löcher im Material und die Fasern entzündeten sich nicht.
Massentauglicher Leichtbau
Ein weiterer Vorteil des Materials ist, dass es viel leichter ist als Stahl oder Aluminium. "Die Dichte einer ausschließlich glasfaserverstärkten Materialvariante ist rund 70 Prozent geringer als die von Stahl. Und wenn die Kernschicht des Verbundwerkstoffs mit Kohlenstofffasern verstärkt wird, ist dieser Unterschied in der Dichte noch größer. Im Vergleich zu Aluminium kann unser Verbundwerkstoff also deutlich mehr als ein Drittel leichter sein", sagt Bonefeld. Envalior hat die Entwicklung dieses leichten Materials abgeschlossen und bietet es nun in massentauglichen Mengen an.
Riesige Auswahl an Fasern, Faseranordnungen und Matrixmaterialien
Der Verbundwerkstoff besteht aus mehreren Schichten von Lang- und/oder Endlosfasern. Je nach Anforderung kann jede Schicht mit speziellen Fasertextilien verstärkt werden. Der Gesamtfaseranteil im Verbundwerkstoff beträgt mehr als 50 Gewichtsprozent. Als Matrixwerkstoffe können Polyamide oder sonstige technische Kunststoffe eingesetzt werden. "Insbesondere die große Wahlfreiheit bei Fasern, Faseranordnungen und Matrixmaterialien ist eine wesentliche Festigkeit unseres Materials. So kann sie speziell an individuelle Anforderungen angepasst werden", sagt Bonefeld.
Der Verbundwerkstoff ist auch in einer Variante mit recycelten Carbonfasern erhältlich, so dass der Anteil an recyceltem Material im gesamten Verbundwerkstoff bei rund 36 Gewichtsprozent liegt. "Dieser Verbundwerkstoff eignet sich besonders gut für Gehäuse, die sehr hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind. Und die Carbonfasern machen es zum Material der Wahl, wenn das Gehäuse elektromagnetisch abgeschirmt werden muss", sagt Bonefeld. Diese Abschirmung stellt sicher, dass Geräte in oder in der Nähe der Batterie keinen Elektrik oder elektromagnetischen Störungen ausgesetzt sind.
Elektrisch isolierend, hohe dielektrische Festigkeit und Widerstand
Die Fasern der äußeren Schichten sind vollständig mit Matrix Kunststoff imprägniert, wodurch eine geschlossene Kunststoff Oberfläche entsteht. "Dies stellt sicher, dass unser Material hervorragende elektrische Eigenschaften wie hohe dielektrische Festigkeit und Widerstand aufweist", sagt Bonefeld. Es bietet auch eine hervorragende Tracking-Widerstand (CTI A > 400 V, Comparative Tracking Index).
Beständig gegen Kühlung zum Eintauchen
Der Verbundwerkstoff ist auch beständig gegen Kühlung in das Eintauchen. Oft werden ganze Batteriegehäuse in diese elektrisch nicht leitenden und schwer entflammbaren Flüssigkeiten getaucht, um direkt Kühlung zu (Immersion Kühlung), um beispielsweise die erhebliche Wärmemenge abzuführen, die beim Schnellladen von Batterien entsteht. Die Langzeitlagerung in dielektrischen Standard-Immersionsflüssigkeiten Kühlung Fluiden zeigte, dass das Komposit auch nach 1.500 Stunden keine Veränderungen an seinem mechanische Eigenschaften erfährt und auch keine Substanzen in die Kühlung Flüssigkeit abgibt. Das bedeutet, dass es problemlos im Eintauchen Kühlung Flüssigkeiten eingesetzt werden kann.
Nachhaltige Material schaffen
Als Thermoplast Material lässt sich der neue Verbundwerkstoff – wie alle Sonstiges Produkte im Tepex® Organoblechsortiment – problemlos recyceln, so dass Produktionsabfälle wie Verschnitt leicht zerkleinert und anschließend als Qualität gesicherte Recycling-Compounds für Spritzguss wiederverwendet werden können. Auch Bauteile können auf diese Weise recycelt werden. Verbundwerkstoffe und Bauteile können auch mittels Solvolyse und Depolymerisation recycelt werden. "Unser neues Material eignet sich daher perfekt, um nachhaltige Material zu schaffen", sagt Bonefeld.
Wachsendes Interesse an Elektroautos
Im Jahr 2022 waren weltweit 26 Millionen Elektroautos auf unseren Straßen unterwegs, ein Anstieg von mehr als 9 Millionen gegenüber dem Vorjahr. Laut einer Prognose der Internationalen Energie Agency (IEA) wird diese Zahl bis 2030 auf mehr als 200 Millionen steigen. Damit spielen Elektrofahrzeuge eine immer wichtigere Rolle im motorisierten Transport. Der größte Markt für Elektrofahrzeuge ist derzeit China, aber auch hierzulande wachsen die Zahlen, wo Anfang 2023 mehr als alle Elektrofahrzeuge zugelassen waren. "Mit unseren Materialien wollen wir unseren Beitrag zu mehr Sicherheit und Nachhaltigkeit auch in der Welt des elektrischen Transports leisten, damit diese umweltfreundliche Form des Transports endlich den Durchbruch schafft", sagt Henrik Plaggenborg, Head of Global Sales & Business Development Tepex bei Envalior.
Envalior ist ein neues Unternehmen, das aus dem Zusammenschluss der beiden führenden Branchen DSM Engineering Materials (DEM) und LANXESS High Performance Materials (HPM) hervorgegangen ist. Sie ist einer der weltweit führenden Hersteller von technischen Hochleistungskunststoffen.
Weitere Informationen zu den Produkte und Dienstleistungen von Envalior finden Sie unter https://envalior.com/products-services/.
Experten aus Envalior inspizieren einen Tepex® Prüfling, der einen Batterie- Spannung Partikelbeschuss erfolgreich überstanden hat, ohne durchzubrennen – und das ohne zusätzliche Schutzmaßnahmen im Material und ohne tragende Bleche.
Foto: Envalior
Selbst nach Partikelbeschuss und Temperaturen von bis zu 1400 °C am Ende des Tests durchgebrannt der Tepex® Prüfling nicht.
Foto: Envalior © 2021
