Düsseldorf, 19. Mai 2023 – Envalior tritt mit einem eigenen Stand auf der Battery Show 2023 in Stuttgart an, der größten europäischen Fachmesse zu neuesten Technologien und Fertigungsverfahren für Batterien von Elektro- und Hybridfahrzeugen. „Wir sehen neue Mobilitätsformen wie die Elektromobilität als eines der zentralen Wachstumsfelder für unsere breit gefächerte Palette an thermoplastischen Konstruktionswerkstoffen“, erklärt Julian Haspel, Leiter des e-Powertrain Teams in der Anwendungsentwicklung von Envalior. „Ein Highlight unseres Auftritts ist ein neues endlosfaserverstärktes Composite der Marke Tepex für Batteriegehäuse. Es ist den extremen Belastungen gewachsen, die beim Brand von Batteriezellen auf das Batteriegehäuse einwirken, was in gängigen Tests hierzu nachgestellt wurde.“ Außerdem präsentiert Envalior eine Studie, die zeigt, dass auch großformatige Batteriegehäuse wirtschaftlich spritzgegossen werden können – und zwar unter anderem mit Hilfe von großen Einlegern aus dem Verbundwerkstoff Tepex. „Damit steht neben dem Fließpressen ein weiteres Verfahren bereit, um diese hochkomplexen und hochbelasteten Sicherheitsbauteile aus Thermoplasten zu fertigen“, so Haspel weiter.
Thermal Runaway-Tests bei weniger als drei Millimeter Prüfkörperdicke erfüllt
In Zellen von Fahrzeugbatterien kann – etwa durch elektrische Fehlfunktionen oder mechanische Schäden – eine exotherme chemische Reaktion in Gang kommen, die zu einem Brand der Zellen führt. Dabei treten Temperaturen von deutlich über 1.000 °C, sehr hohe Drücke infolge der entweichenden Gase und gerichtete Flammen mit glühenden Partikeln etwa aus der Zellkathode und -anode auf. Dieser sogenannte thermal runaway-Prozess (thermisches Durchgehen) muss möglichst gut eingedämmt werden. Deshalb ist es wichtig, dass Materialien für Batteriegehäuse den Ausnahmebedingungen widerstehen, um einen Brand des gesamten Fahrzeugs zu verhindern oder zumindest den Insassen genügend Zeit zu geben, sich in Sicherheit zu bringen. „Unser neues Composite-Material besteht die strengen, derzeit marktüblichen thermal runaway-Tests, die diese extremen Belastungen nachstellen, bei Prüfkörperdicken von weniger als drei Millimeter. Es ist damit in der Herstellung von Batteriegehäusen eine leichte Alternative etwa zu Stahl und Aluminium“, erklärt Dr. Stefan Seidel, der die Forschung und Entwicklung zu Tepex leitet. Die hohe Widerstandskraft des Verbundwerkstoffs, dessen Entwicklung kurz vor dem Abschluss steht, beruht vor allem auf dem Endlosfasergewebe, mit dem seine Matrix verstärkt ist. Ein weiterer Vorteil des Composites ist, dass es wegen seiner thermoplastischen Matrix gut rezykliert werden kann. Es bietet sich daher zum Aufbau nachhaltiger Stoffkreisläufe an. Envalior plant, auf der Battery Show ein Video mit einem thermal runaway-Test an einem Tepex-Prüfkörper zu zeigen.
Einleger aus Tepex senken Spritzdruck um rund zwei Drittel
Das Spritzgießen großer Batteriegehäuse für Elektrofahrzeuge ist technisch herausfordernd und bisher kaum umfassend bewertet und untersucht. Denn dafür werden sehr große Spritzgießmaschinen mit hohen Schließkräften benötigt. Letztere sind eine Folge der großflächigen Bauteilgeometrien und der hohen Spritzdrücke. Außerdem müssen höhere Wanddicken akzeptiert werden, um die großen Werkzeuge überhaupt mit Kunststoffschmelze vollständig füllen zu können. Das hat einen hohen Materialbedarf zur Folge. So muss etwa bei Einsatz von Polyamid 6 das Plastifizieren von 40 Kilogramm Material und mehr beherrscht werden. Envalior hat auf Nachfrage von Kunden ein weiteres neues Konzept für das Spritzgießen solcher Gehäuse entwickelt, das diese Hürden überwindet. Es wurde in einer Machbarkeitsstudie an 220 x 160 Zentimeter großen Bauteilen geprüft. Das Konzept sieht große Zuschnitte aus Tepex vor, die in das Werkzeug eingelegt und umspritzt werden und als Boden der meist sehr flachen Gehäuse dienen. „Unsere Simulationen zeigen, dass dadurch der Spritzdruck im Vergleich zu einem reinen Spritzgussteil um rund zwei Drittel gesenkt werden kann. Das ermöglicht wiederum den Einsatz kleinerer, preiswerterer Spritzgießmaschinen mit deutlich geringeren Schließkräften. Gleichzeitig können die Wanddicken im Bodenbereich stark reduziert werden – auch wegen der exzellenten mechanischen Performance von Tepex. Insgesamt resultieren aus diesem Ansatz sehr konkurrenzfähige Fertigungskosten für Batteriegehäuse“, fasst Haspel zusammen.
Beständig in dielektrischen Kühlflüssigkeiten und Wasser-Glykol-Kühlgemischen
Ein weiteres Thema auf dem Stand von Envalior ist das Thermomanagement der Batterien von Elektrofahrzeugen. Es ist essenziell für die Leistungsfähigkeit und Reichweite der Fahrzeuge, aber auch für ein schnelles Laden der Batterie. Envalior präsentiert die Ergebnisse der Langzeitlagerung ausgewählter Thermoplaste für Batteriebauteile in marktgängigen dielektrischen Tauchkühlflüssigkeiten. Mit diesen elektrisch nichtleitenden und schwer entflammbaren Fluiden werden häufig ganze Batteriegehäuse zur direkten Kühlung geflutet (Immersion Cooling). „Die Tests ergaben, dass die untersuchten Polyamid 6-, Polyamid 66- und PBT-Compounds auch nach über 1.500 Stunden Lagerung weder ihre mechanischen Eigenschaften verändern, noch im Gegensatz zu vielen Polyolefinen aufquellen und auch nicht ihre Flammwidrigkeit verlieren. Sie sind daher problemlos in den dielektrischen Fluiden einsetzbar“, so Haspel.
Auch Wasser-Glykol-Gemische finden im Kühlkreislauf von Elektrofahrzeugen Anwendung. Die zugehörigen Kühlbauteile können statt aus Polyamid 66 auch aus spürbar preiswerteren Polyamid 6-Compounds gefertigt werden. Denn diese sind wegen der im Vergleich zu Verbrennungsmotoren weniger heißen Wasser-Glykol-Gemische zumeist völlig ausreichend beständig, selbst wenn sie nicht hydrolysestabilisiert sind. Das zeigen die Ergebnisse von Langzeitlagerungen sowohl von Bauteilen als auch Probekörpern, die ursprünglich für Anwendungen im Kühlsystem von Verbrennungsmotoren durchgeführt werden. Derzeit laufen bei Envalior Tests bei 80 °C und 100 °C, in denen die Lagerungsdauer von den bislang üblichen 1.000 bzw. 1.500 Stunden auf 10.000 Stunden ausgeweitet wurde. „Es zeichnet sich bereits ab, dass die Polyamid 6-Compounds unter diesen Bedingungen keine Eigenschaftsverluste erleiden. Erste Ergebnisse werden wir auf der Battery Show vorstellen“, sagt Haspel.
Envalior ist ein neues Unternehmen, das aus der Fusion zweier Branchenführer – DSM Engineering Materials (DEM) und Lanxess High Performance Materials (HPM) – hervorgegangen ist. Es zählt weltweit zu den führenden Herstellern von technischen Kunststoffen. Eigentümer sind der Private-Equity-Investor Advent International und der Spezialchemie-Konzern LANXESS.
Die Battery Show Europe findet vom 23. bis 25. Mai 2023 in der Messe Stuttgart statt. Der Stand von Envalior in Halle 10 hat die Nummer F70.
Foto: Envalior, © 2021
Der neue Verbundwerkstoff der Marke Tepex widersteht im thermal runaway-Test bei weniger als drei Millimeter Prüfkörperdicke den Temperaturen von deutlich über
1.000 °C, den sehr hohen Gasdrücken und den gerichteten Flammen mit glühenden Partikeln.
Nähere Informationen zu den Innovationen von Envalior für den Bereich New Mobility finden sich unter https://envalior.com/products-services/.
