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Wie WACKER und CFP Composites den Brandschutz für Batteriepacks revolutionieren

Briehn: Man unterscheidet hier allgemein zwischen einem Schutz zur thermischen Isolierung der einzelnen Batteriezellen, der Batteriemodule, in denen mehrere Zellen zusammengefasst sind, und des gesamten Batteriepacks, der wiederum die Module enthält. Aufgrund der Geometrie der Komponenten werden für einen gängigen Batterieaufbau bevorzugt hitzebeständige Materialien in Form von Platten oder Matten eingesetzt, die die Temperaturanforderungen auch in dünner Schichtdicke erfüllen. Ein etabliertes System sind beispielsweise Glimmerplatten, die in verschiedenen technischen Anwendungen, aber auch in Alltagsgegenständen wie Haartrocknern oder Mikrowellen zum Zwecke der thermischen und elektrischen Isolation breiten Einsatz finden. Glimmerplatten sind kostengünstig und leicht, lassen sich aber aufgrund ihrer Brüchigkeit nur sehr eingeschränkt dreidimensional formen. Vor allem die Brüchigkeit ist ein Problem, wenn Batterien durchgehen und abrasive Partikel mit großer Wucht auf die spröde Glimmerplatte treffen.

Price: Der Bedarf und das Interesse an leistungsfähigen Materiallösungen, die leicht und dünn genug für die Zwischenräume des Batteriepacks sind, steigen. Es gibt in diesem Temperaturbereich kaum Materialien, die sich überhaupt noch eignen. Deswegen kommt unser neu entwickelter Verbundwerkstoff zur richtigen Zeit. Wir bekommen seit gut zwei Jahren vermehrt Anfragen von Batterieherstellern und aus der Automobilindustrie, weil das thermische Durchgehen von Lithium-Ionen-Akkus aufgrund der steigenden Energiedichten immer relevanter wird und die Batteriesicherheit als eines der aktuell wichtigsten Entwicklungsthemen der Automobilhersteller und -zulieferer gesehen wird.

Price: Um diese Frage zu beantworten, muss ich kurz ausholen: Das Batteriepack ist die schwerste Komponente im Auto. Was die Hersteller nicht wollen, ist noch mehr Gewicht durch den Brandschutz. All das schmälert am Ende die Reichweite. Uns stehen für die thermische Isolierung lediglich einige Millimeter zwischen den einzelnen Batteriekomponenten zur Verfügung. Dennoch konnten wir trotz dieses sehr kleinen Gestaltungsspielraumes ein enorm leistungsfähiges Material entwickeln: Unser neuer FR.10-Verbundwerkstoff besteht aus Kohlenstofffasern und Siliconharzen. Er kann in Schichtdicken von minimal einem Millimeter gefertigt werden und ist mit einem Gewicht von bis zu 1,5 kg/m² sehr leicht. Ein weiterer Vorteil ist, dass unser Produkt unter Hitzeeinwirkung nicht spröde wird und nicht expandiert. Über einen sehr weiten Temperaturbereich sehen wir keine strukturelle Veränderung. Mit unserem Fertigungsprozess können wir zudem nicht nur ebene Platten, sondern auch 3D-Geometrien fertigen, was für den Einsatz in Batterien in vielerlei Hinsicht von Vorteil ist. In internen Tests konnten wir die Brandbeständigkeit der Laminate eindrucksvoll demonstrieren: Eine 2 mm dicke FR.10-Platte brennt bei Beflammen mit einem 1.500 Grad Celsius heißen Brenner über einen Zeitraum von sieben Stunden nicht durch.

Briehn: Besonders erfreulich ist, dass der Verbundwerkstoff kürzlich in einem herausfordernden Brandtest sehr gut abgeschnitten hat. Der Test wurde von UL Solutions, einem führenden und für die Elektromobilität spezialisierten Labor mit Sitz im US-amerikanischen Bundesstaat Illinois durchgeführt. In diesem eigens für die Prüfung der Batteriesicherheit entwickelten Prüfverfahren UL2596 werden die Materialien den hohen Temperaturen und dem heißen Partikelstrom eines thermal runaways ausgesetzt. Das Ergebnis: Unser 2 mm dicker Verbundwerkstoff überstand die Testbedingungen, ohne dass es zu einem Durchbrechen des Laminats kam.

Price: Wir gehen davon aus, dass die Kohlenstofffasern die Hitze zu den Seiten hin ableiten und so ein schnelles Durchbrennen des Laminats verhindern. Außerdem gibt es Hinweise, dass der Verbundwerkstoff die Hitze reflektiert, zumindest teilweise.

Briehn: Wir nutzen bei dem Verbundwerkstoff in geschickter Weise, was Kohlenstofffasern und Siliconharze von Natur aus können: Kohlenstofffasern sind sehr leicht und mechanisch sehr belastbar. Siliconharze bilden durch die gute Anhaftung an die Fasern einen festen Verbund. Sie bringen zudem aufgrund ihres hohen Siliciumdioxidgehalts nur eine sehr geringe Brandlast mit und keramifizieren bei hohen Temperaturen und im Brandfall zu einer Art feuerfestem Material. Durch diesen keramifizierenden Effekt wird der Brandschutz zusätzlich verstärkt. Das können entsprechende Verbundmaterialien, die ein organisches Bindemittel enthalten, nicht leisten.