21.03.2023 Mehr Sicherheit für Lithium-Ionen-Batterien

Thermal Runaways einzelner Batteriezellen kommen zwar selten vor, jedoch birgt ein thermisches Durchgehen, einmal in Gang gesetzt, insbesondere im Bereich von Fahrzeugen und Speichertechnologien für Privathaushalte, große Gefahren. Denn der klassische Ausfallmodus umfasst heftige exotherme Zersetzungsreaktionen, bei denen so viel Wärme entsteht, dass sie von der Wärmemanagementlösung des Batteriemoduls, das die defekte Zelle enthält, nicht mehr abgeführt werden kann. Breitet sich dieser Effekt auf weitere Zellen aus, kann es zu einem Brand oder gar zu einer Explosion auf der Ebene des Moduls oder Packs kommen. Da ein solcher Thermal Runaway einzelner Zellen nicht vollständig vermieden werden kann, besteht das Ziel darin, die daraus resultierenden Gefahren zu minimieren und die Auswirkungen einzudämmen. Zu diesem Zweck müssen bei der Konstruktion von Batteriemodulen und -packs verschiedene Sicherheitsvorkehrungen berücksichtigt werden. Dazu zählen eine gezielte Entlüftung (englisch: Venting) der einzelnen Zellen für eine kontrollierte Freisetzung entstehender Gase sowie der Einbau sicherungsähnlicher Mechanismen. Um das Übergreifen (englisch: Propagation) der Reaktion von einer defekten auf benachbarte Zellen zu unterbinden und somit die Auswirkungen des Thermal Runaways zu minimieren, hat Wevo spezielle Materialien auf Basis von Silikon entwickelt.

WEVOSIL 27001 FL hat sich in Praxistests von Kunden als effiziente mechanische und thermische Barriere erwiesen, die in Abhängigkeit von der Zellart sowohl über als auch zwischen den Zellen aufgebracht werden kann. Das Material erreicht eine sehr hohe Hitze- und Flammbeständigkeit – ohne den Zusatz von mineralischen oder metallischen Füllstoffen. Dadurch konnte das Gewicht gering gehalten werden, was zu einer leichten Batteriekonstruktion beiträgt. Auch die elektrischen Isolationseigenschaften sind gut, was bei Applikation auf den kritischen Stellen und Schaltkreisen einem Kurzschluss im Zellkontaktierungssystem des Moduls vorbeugen kann. Mechanisch gesehen ist WEVOSIL 27001 FL um ein Vielfaches flexibler als mineralische Lösungen und deutlich stärker als geschäumte Materialien. Zusätzlich hat es einen sehr geringen Gehalt an flüchtigen Bestandteilen, denn die Formulierung besteht ausschließlich aus hochmodernen Polymeren, die in einem zusätzlichen Herstellungsschritt gründlich entgast werden. Dies löst die bislang in der Automobilindustrie bestehende Ausgasungsproblematik. Unterschiedliche Anforderungen an die Fließeigenschaften können zudem mit der – im Vergleich zum leicht thixotropen WEVOSIL 27001 FL für Coatings – niedrigeren Viskositätsvariante WEVOSIL 22027 FL umgesetzt werden. Die Materialien eignen sich sowohl für die Herstellung von vorgefertigten Silikonpads als auch für die manuelle oder automatisierte In-situ-Dosierung.

Auch das Batteriemanagementsystem kann genutzt werden, um der Ausbreitung eines Thermal Runaways von Zelle zu Zelle entgegenzuwirken – ebenso wie ein durchdachtes Wärmemanagement der Batterie. Die speziell zu diesem Zweck entwickelten wärmeleitfähigen Gap-Filler der Serie WEVOSIL 260XX FL sind sowohl hinsichtlich ihrer Dichte – und somit des Gewichts – optimiert, als auch nach der Norm zum Brandverhalten UL 94 V-0 in dünnen Schichtdicken zertifiziert. Gleichzeitig ist durch die gewählte Additionsvernetzung eine hohe Dimensionsstabilität sichergestellt und es entstehen keine Aushärtungsnebenprodukte. Die Aushärtung selbst erfolgt dadurch standardmäßig schon bei Raumtemperatur bei einer in breiten Maßen einstellbaren Reaktionsgeschwindigkeit – eine Wärmehärtung ist also nicht notwendig, Hitze kann den Prozess jedoch bei Bedarf stark beschleunigen.

Bei Implementierung der speziell entwickelten Lösungen in einer frühen Entwicklungsphase kann die Gesamtsicherheit von Batteriemodulen durch ein anwendungsspezifisch optimiertes Wärmemanagement und die individuelle Konfiguration der thermischen, mechanischen und elektrischen Barrieren erheblich verbessert werden.