De materialen die worden gebruikt om elektrisch voertuig batterijbehuizingen te maken, afspelen een sleutelrol bij de veiligheid van passagiers. Om zich te concentreren op de veiligheid en prestaties van EV's, moeten ingenieurs een materiaal gebruiken dat de thermisch stabiliteit van batterijen verbetert, thermisch weglopen voorkomt en het risico op brand of explosie vermindert. Op Envalior hebben we een nieuw composiet getest onder ons merk Tepex®, dat ideaal is voor componenten in een EV batterij. Het composiet, met zeer lage diktes van de testmonsters, doorstond de standaard thermisch runaway-tests voor EV batterijbehuizingen.
Aangezien elektrische voertuigen (EV's) een steeds belangrijkere rol blijven afspelen in gemotoriseerde transport, is de veiligheid van batterijen van het grootste belang. EV's zijn in een stroomversnelling geraakt: vorig jaar steeg de wereldwijde verkoop van EV's met 31% tot 13,6 miljoen eenheden, volgens marktonderzoeksbureau Rho Motion. Volledig elektrische voertuigen, ook wel batterij-elektrische voertuigen (BEV's) genoemd, waren goed voor 9,5 miljoen eenheden van dat totaal.
Als ingenieur weet u dat de materialen die worden gebruikt om EV batterijbehuizingen te maken, een sleutelrol afspelen spelen bij het indammen van mogelijke branden. Om ervoor te zorgen dat EV's veilig zijn en hun prestaties behouden, moet u een materiaal gebruiken die de thermisch stabiliteit van batterijen verbetert, thermisch weglopen voorkomt en het risico op brand of explosie vermindert.
Zoals u weet, moet alles in het werk worden gesteld om ervoor te zorgen dat het vuur zich niet over het hele voertuig verspreidt en de inzittenden in gevaar brengt. Om er zeker van te zijn dat de materiaal die u voor batterijbehuizingen gebruikt, bestand is tegen extreme belastingen waaraan de batterijbehuizing wordt blootgesteld wanneer er brand uitbreekt, moet een thermisch runaway-test worden uitgevoerd. En dat is precies wat we voor u hebben gedaan.
We hebben een nieuw composiet getest onder ons merk Tepex® , dat ideaal is voor componenten in een EV batterij. Het composiet, met zeer lage diktes van de testmonsters, doorstond de standaard thermisch runaway-tests voor EV batterijbehuizingen. Het composiet heeft een hoge weerstand aan de extreme omstandigheden van een batterijcelbrand, wat wordt toegeschreven aan de niet-brandbare lange en continue vezels die de materiaal versterken in een meerlaagse structuur. De structurele materiaal is bestand tegen de extreme druk en temperaturen van meer dan 1000°C, en in het bijzonder het ruwe bombardement door schurende hete deeltjes die optreden tijdens het thermisch weglopen van batterijcellen.
Het composiet kan de standaardtests op dit gebied doorstaan - zoals de batterijbehuizing thermisch runaway (BETR)-test volgens UL 2596 - met testmonsterdiktes van slechts twee millimeter of minder. Zelfs met wanddiktes van slechts twee millimeter voldoet de materiaal ruimschoots aan de eisen van de batterij-spanning test met deeltjesbombardement, zoals uitgevoerd door svt Holding GmbH, een toonaangevend bedrijf op verschillende gebieden, waaronder industriële brandveiligheidstoepassingen.
Bij blootstelling aan deeltjesbombardementen werd het Tepex® testmonster niet doorgebrand, noch wanneer de temperatuur aan het einde van de test zo hoog was als 1400°C, noch gedurende nog eens 20 seconden daarna. Dit was zonder extra beschermende maatregelen in de materiaal en zonder ondersteunende metalen platen.
Een hoge mate van veiligheid wordt gegarandeerd, zelfs bij lage wanddiktes en, op zijn beurt, een laag gewicht. Het composiet werkt ook als een effectief barrière tegen externe brandbronnen. In de vuurpantest, gebaseerd op VN-reglement 180, 6.2.4, en simulatie van zeer realistische batterijbrandscenario's in ongevalssituaties, veroorzaakte het verbranden van brandstof geen gaten in de materiaal. De vezels ontbrandden niet.
Een ander voordeel van de nieuwe composiet materiaal is dat deze veel lichter is dan staal of aluminium. De dichtheid van een uitsluitend glasvezelversterkte materiaal variant is ongeveer 70 procent lager dan die van staal. En als de kernlaag van het composiet is versterkt met koolstofvezels, is het verschil in dichtheid groter. In vergelijking met aluminium kan ons composiet aanzienlijk meer dan een derde lichter zijn.
Het composiet bestaat uit meerdere lagen lange en/of doorlopende vezels. Afhankelijk van de eisen kan elke laag worden versterkt met speciaal vezeltextiel. Het totale vezelgehalte in het composiet is meer dan 50 gewichtsprocent. Polyamiden of andere technische kunststoffen kunnen worden gebruikt als matrixmaterialen. Zo kunt u vragen om het composiet speciaal aan uw eisen aan te passen.
Het composiet is verkrijgbaar in een variant met gerecyclede koolstofvezels, waardoor het aandeel gerecycled materiaal in het composiet als geheel ongeveer 36 gewichtsprocent bedraagt. Dit composiet is vooral goed voor behuizingen die onderhevig zijn aan zeer hoge mechanisch belastingen. Koolstofvezels maken het de materiaal bij uitstek wanneer de behuizing elektromagnetisch moet worden afgeschermd. Alles vezels zijn geïmpregneerd met matrix plastic, waardoor een gesloten plastic oppervlak ontstaat. Dit zorgt voor uitstekende elektrische eigenschappen zoals hoge diëlektrische sterkte en oppervlakte weerstand. Het biedt ook uitstekende tracking weerstand (CTI A > 400 V, Vergelijkende volgindex).
De composieten op basis van polyamide zijn ook bestand tegen onderdompeling koeling vloeistoffen. Hele batterijbehuizingen worden vaak ondergedompeld in deze elektrisch niet-geleidende en zeer vlamvertragende vloeistoffen als middel voor directe koeling. Dit wordt gedaan om de aanzienlijke hoeveelheid warmte af te voeren die wordt gegenereerd wanneer batterijen snel worden opgeladen. Langdurige opslag in standaard diëlektrische onderdompeling koeling vloeistoffen toonde aan dat het composiet zelfs na 1.500 uur geen veranderingen ondergaat in zijn mechanisch eigenschappen of begint op te zwellen, en ook geen stoffen afgeeft aan de koeling vloeistof.
Als thermoplast materiaal kan het nieuwe composiet – net als alles andere producten in het Tepex® organische plaatassortiment – gemakkelijk worden gerecycled, wat betekent dat productieafval kan worden versnipperd en vervolgens kan worden hergebruikt als kwaliteit gegarandeerde gerecyclede verbindingen voor spuitgieten. Ook onderdelen kunnen op deze manier worden gerecycled. Bovendien kunnen composieten en componenten ook worden gerecycled door middel van solvolysis en depolymerisatie.
Hoofd Global Product Management en Marketing Tepex
Na voor verschillende bedrijven op het gebied van thermoplasten verwerking te hebben gewerkt, trad Dirk Bonefeld in 2011 in dienst bij Bond-Laminates GmbH, nu een bedrijf van Envalior, als hoofd onderzoek en ontwikkeling. Van 2017 tot 2021 was hij Head of Marketing and Sales voor Consumer Elektronica and Sport, en in 2021 werd hij Head of Global Product Management and Marketing voor Tepex. Dirk is gepromoveerd in Mechanisch Engineering and Polymeer Technology.
15 March 2024
