Düsseldorf, 26. September 2023 – Envalior bietet einen neuen Verbundwerkstoff der Marke Tepex an, der die marktüblichen thermal runaway-Tests für Batteriegehäuse von Elektrofahrzeugen bei sehr dünnen Prüfkörperdicken besteht. Die hohe Beständigkeit des Composites gegen die extremen Bedingungen bei einem Brand von Batteriezellen beruht auf den nicht brennbaren Lang- und Endlosfasern, mit denen das Material in einem mehrschichtigen Aufbau verstärkt ist. „Vor allem die Fasern sorgen dafür, dass unser Konstruktionswerkstoff bei einem Durchgehen von Batteriezellen den extremen Drücken, den Temperaturen von teils weit über 1.000 °C und dem abrasiven Glühpartikelbeschuss gewachsen ist. Er eignet sich daher auch für Bauteile innerhalb der Batterie – wie etwa Zellgehäuse, -halter und -trennwände“, erklärt Dr. Dirk Bonefeld, Leiter Produktmanagement Tepex®.
Brände von Batteriezellen wirksam eindämmen
Elektrische Fehlfunktionen, Überhitzungen oder mechanische Schäden können in einer Zelle von Fahrzeugbatterien eine exotherme chemische Reaktion in Gang setzen, die einen Brand der Zelle auslöst. Der Vorgang wird als thermal runaway bezeichnet (thermisches Durchgehen). Breitet sich der Brand von Zelle zu Zelle aus, spricht man von thermal propagation. Der Brand darf keinesfalls auf das gesamte Fahrzeug übergreifen und die Insassen gefährden. Das Batteriegehäuse spielt daher in der Eindämmung der Brände eine zentrale Rolle. Thermal runaway-Tests stellen die extremen Belastungen nach, die ein solcher Brand auf Batteriegehäuse ausübt. „Unser neues Composite kann die gängigen Tests dieser Art – wie etwa den BETR-Test nach UL 2596 – bei Prüfkörperdicken von nur zwei Millimetern oder sogar weniger bestehen“, so Bonefeld. BETR steht für „Battery Enclosure Thermal Runaway“. Außerdem erfüllt das Material bei Wanddicken von zwei Millimetern problemlos die Anforderungen des Batterie-Stresstests durch Partikelstrahl von der svt Holding GmbH, einem führenden Unternehmen unter anderem für industrielle Brandschutzanwendungen. „Der Tepex®-Prüfkörper weist trotz Partikelbeschuss bei bis zu 1.400°C am Testende nach 20 Sekunden keinen Durchbrand auf – und das ohne weitere Schutzmaßnahmen im Material oder stützende Metallplatten. Schon bei geringen Wanddicken und damit geringem Gewicht ist daher ein hohes Maß an Sicherheit gegeben“, ergänzt Bonefeld. Auch gegen äußere Feuerquellen bildet das Composite eine wirksame Barriere. So entstehen im Fire Pan Test, der sich an die UN-Regelung 180, 6.2.4, anlehnt und Brandsituationen von Batterien in Unfallsituationen sehr realistisch nachstellt, durch brennenden Kraftstoff weder Löcher im Material, noch entzünden sich die Fasern.
Großserientauglicher Leichtbau
Ein weiterer Vorteil des Materials ist, dass es deutlich weniger wiegt als Stahl und auch Aluminium. „Die Dichte einer rein glasfaserverstärkten Materialvariante ist um rund 70 Prozent geringer als die von Stahl. Wird die Kernschicht des Composites mit Carbonfasern verstärkt, ist der Dichteunterschied sogar noch größer. Im Vergleich zu Aluminium ist unser Composite dann um deutlich mehr als ein Drittel leichter“, so Bonefeld weiter. Envalior hat den Leichtbauwerkstoff fertig entwickelt und bietet ihn in großserientauglichen Mengen an.
Große Wahlfreiheiten bei Faser, Faseranordnung und Matrix
Das Verbundmaterial besteht aus mehreren Schichten Lang- und/oder Endlosfasern. Jede Schicht kann je nach Anforderungen mit speziellen Textilien verstärkt werden. Der Faseranteil am Composite liegt insgesamt bei mehr als 50 Gewichtsprozenten. Als Matrixmaterialien eignen sich zum Beispiel Polyamide oder andere technische Kunststoffe. „Gerade die Freiheiten bei der Wahl von Fasern, Faseranordnung und Matrixmaterialien sind eine besondere Stärke unseres Werkstoffs. Er lässt sich dadurch spezifisch an individuelle Anforderungen anpassen“, führt Bonefeld aus.
Das Composite steht auch in einer Variante mit rezyklierten Carbonfasern zur Verfügung. Der Rezyklatanteil am gesamten Composite liegt dann bei rund 36 Gewichtsprozenten. „Dieser Verbundwerkstoff bietet sich besonders für mechanisch sehr stark belastete Gehäuse an. Außerdem ist er durch die Carbonfasern Material der Wahl, wenn das Gehäuse elektromagnetisch abschirmend sein muss“, erklärt Bonefeld. Diese Abschirmung stellt sicher, dass Geräte in und nahe der Batterie nicht durch elektrische oder elektromagnetische Effekte gestört werden.
Elektrisch isolierend, durchschlag- und kriechstromfest
Die Fasern der Außenschichten sind vollständig mit Matrixkunststoff imprägniert. Dadurch entsteht eine geschlossene Kunststoffoberfläche. „Sie sorgt dafür, dass unser Material exzellente elektrische Eigenschaften wie eine hohe Durchschlagfestigkeit und einen hohen Oberflächenwiderstand hat“, so Bonefeld. Außerdem zeigt es eine gute Kriechstromfestigkeit (CTI A > 400 V, Comparative Tracking Index).
Beständig in Tauchkühlflüssigkeiten
Das Composite ist auch beständig gegen Tauchkühlflüssigkeiten. Mit diesen elektrisch nichtleitenden und schwer entflammbaren Fluiden werden häufig ganze Batteriegehäuse zur direkten Kühlung geflutet (Immersion Cooling), um etwa die beträchtlichen Wärmemengen beim Schnelladen von Batterien ableiten zu können. Langzeitlagerungen in marktgängigen dielektrischen Tauchkühlflüssigkeiten zeigten, dass der Verbundwerkstoff auch nach über 1.500 Stunden weder seine mechanischen Eigenschaften verändert noch aufquillt und auch keine Stoffe in die Kühlflüssigkeit abgibt. Er ist daher problemlos in Tauchkühlflüssigkeiten einsetzbar.
Nachhaltige Stoffkreisläufe aufbauen
Als thermoplastisches Material ist das neue Composite wie alle anderen Vertreter der Tepex®-Organoblechfamilie gut zu rezyklieren. So lassen sich etwa Produktionsabfälle wie Verschnitt problemlos schreddern und zu qualitätsgesicherten Rezyklat-Compounds für den Spritzguss verarbeiten. Auch ein Verwerten von Bauteilen ist auf diese Weise möglich. Außerdem können Composite und Bauteile via Solvolyse und Depolymerisation rezykliert werden. „Unser neuer Werkstoff bietet sich daher zum Aufbau nachhaltiger Stoffkreisläufe an”, unterstreicht Bonefeld.
Wachsendes Interesse an Elektroautos
Weltweit gab es im Jahr 2022 ca. 26 Millionen Elektroautos, was einem Wachstum von über neun Millionen Fahrzeugen gegenüber dem Vorjahr entspricht. Bis 2030 sollen laut einer Prognose der Internationalen Energieagentur (IEA) über 200 Millionen Elektroautos unterwegs sein. Elektromobilität spielt somit zunehmend eine wichtige Rolle im motorisierten Individualverkehr. Bislang werden die meisten E-Fahrzeuge in China verkauft, aber auch in Deutschland wächst der Bestand. Anfang 2023 waren hier über eine Million rein elektrisch betriebene Fahrzeuge zugelassen. „Wir wollen mit unseren Materialien zur Sicherheit und Nachhaltigkeit auch in der Elektromobilität beitragen, um dieser umweltfreundlichen Mobilitätsform weiter zum Durchbruch zu verhelfen“, betont Henrik Plaggenborg, Leiter Global Sales & Business Development Tepex bei Envalior.
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 Hochleistungskunststoffen.
Nähere Informationen zu den Produkten und Serviceleistungen von Envalior finden sich unter https://envalior.com/products-services/.
Experten von Envalior begutachten einen Tepex®-Prüfkörper, der einen Batterie-Stresstests mit Partikelstrahl überstanden hat, ohne durchzubrennen – und das ohne weitere Schutzmaßnahmen im Material oder stützende Metallplatten.
Foto: Envalior
Der Tepex®-Prüfkörper weist trotz Partikelbeschuss bei bis zu 1400°C am Ende des svt-Tests keinen Durchbrand auf.
Foto: Envalior © 2021
