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Thermal Runaway begrenzen:
Testergebnisse für siliconharzbasiertes Hitzeschild
Wenn Lithium-Ionen-Batterien in E-Fahrzeugen versagen, zählt jede Sekunde: Siliconharze von WACKER helfen, Fahrzeuginsassen zu schützen. Sie setzen neue Maßstäbe für mehr Batteriesicherheit und sind auch für mica-freie Hitzeschilde geeignet.
Warum Siliconharze für Hitzeschilde?
Doppelte Schutzfunktion bei Thermal Runaway Events
Dr. Vera Seitz ist Expertin für siliconharzbasierte Faserverbundwerkstoffe als Hitzeschild für Batterien.
Es ist still in ihrem Büro. Nur das Summen der Lüfter begleitet Dr. Vera Seitz, als sie die Ergebnisse des letzten Thermal Propagation Tests prüft.
Trotz bewusst ausgelöstem Thermal Runway: Kein Durchschlagen der Flamme, keine Beschädigung der Platte, dafür eine hervorragende Wärmedämmung. Die Rückseitentemperatur hinter dem getesteten Siliconharzlaminat bleibt unter 140 °C.
Die Maximaltemperatur des Venting-Strahls, der direkt auf die getestete Platte über der gezündeten Batteriezelle trifft, steigt hingegen auf bis zu 1150 °C. Auch im Bereich der indirekten Venting-Pfade werden in der Spitze über 1.000 °C gemessen. Trotzdem bleibt die siliconharzbasierte Glasfaserverbundplatte intakt.
Warum das so ist, erklärt Dr. Seitz, Expertin für siliconharzbasierte Faserverbundwerkstoffe als Batterie-Hitzeschild in E-Fahrzeugen, so:
”Wir haben zwei Effekte:
Testorientierte Entwicklung
Jedes Bauteil muss für den Ernstfall gemacht sein. Deshalb setzt das Team auf intensive Thermal Propagation Tests mit aktuellen Zelltypen.
Dr. Daniel Becher, Experte für Batteriesicherheitstests bei PROTEBA, beschreibt es so:
”Wir gestalten die Tests so, dass wir in der post mortem Analyse erkennen, welche Lösungen funktionieren. Gemeinsam mit WACKER bewerten wir Zellreaktionen und Temperaturverläufe. Generell kann davon ausgegangen werden: Wenn sich ein Ergebnis bei diesen Tests mind. dreimal reproduzieren lässt, kann der Ansatz als verlässlich bewertet werden.”
Auch für Vera Seitz ist das kein einzelner Test. Es ist genau das, was Elektromobilität sicher macht: Testen, testen, testen.
Für heute klickt Dr. Seitz auf „Bericht speichern“. Ihr Blick verweilt einen Moment auf dem Bildschirm. Sie lehnt sich zurück. Draußen fahren Millionen E-Autos. Hier entsteht Sicherheit, die Leben schützt und die Elektromobilität voranbringt.
Testergebnisse Thermal Propagation Test
Schutz im Fall eines Thermal Runaway:
Das Siliconharz-Glasfaser-Komposit schützt den Batteriedeckel vor Venting-Schäden und KTL-Bränden. So schützt es die Fahrgastzelle: Es erhöht die Zeit, die im Ernstfall für die sichere Evakuierung der Fahrzeuginsassen zur Verfügung steht.
Anwendungen: Schutz vor Venting-Schäden und KTL-Bränden
Temperaturen
Post mortem: Vorderseite
Post mortem: Rückseite
Download: Testergebnisse Thermal Propagation Test
Ergebnisse des Tests mit Rundzellen im 46xxx-Format
(NMC, sehr hohem Nickelanteil, ca. 35 Ah Kapazität)
Testergebnisse: Thermal Runaway begrenzen
Video: Thermal Propagation Test
Fragen & Antworten
Was ist ein Thermal Propagation Test und wie läuft er ab?
Ein Thermal Propagation Test (auch „Thermal Runaway Propagation Test“) ist ein zentraler Bestandteil der Batteriesicherheitsprüfung im Automotive-Bereich. Ziel ist es, zu untersuchen, wie sich ein thermisches Durchgehen (Thermal Runaway) einer einzelnen Zelle auf benachbarte Zellen auswirkt. Der Test liefert Antworten auf die Frage, ob und wie sich die Wärme und die Reaktion ausbreiten.
Der Thermal Propagation Test läuft typischerweise in folgenden Schritten ab:
Wann gilt ein Thermal Propagation Test als bestanden?
Der Test gilt allgemein als bestanden, wenn das Hitzeschild intakt bleibt und kein Durchschlagen von Flamme oder heißen Partikeln beobachtet werden kann.
Außerdem ist eine gute Isolationswirkung des Hitzeschilds notwendig. D.h. während des Tests sind möglichst niedrige Temperaturen auf der Rückseite der Testplatte gefordert, beispielsweise < 200 °C.
Wie war der Thermal Propagation Test für das Hitzeschild aufgebaut?
Im Test wurde ein leistungsstarkes, realitätsnahes System getestet:
Das Siliconharz-Glasfaser-Laminat wurde als Hitzeschild oberhalb der Batteriezellen eingesetzt. Im Fall eines Thermal Runaways schirmt dieses Hitzeschild insbesondere austretende Partikel und Flammen effektiv nach außen ab. Es wird daher häufig im Bereich von Ventingkanälen oder zum Schutz von Batterie- oder Moduldeckel eingesetzt. Die umliegenden Zellen wurden durch geeignete Potting-Materialien geschützt.
Testaufbau des Batteriemoduls
Aufbau des Batteriedeckels
Hitzeschild im Test
Fertiges Batterie-Testmodul
Welches Komposit wurde als Hitzeschild für Batterien von Elektroautos getestet?
Getestet wurde ein Siliconharz-Glasfaser-Komposit. So wurde die Platte gefertigt:
Welche Eigenschaften führen zum sehr guten Ergebnis im Thermal Propagation Test?
Siliconharze verfügen über eine außergewöhnlich hohe Flamm- und Hitzebeständigkeit. Sie zeichnen sich durch eine geringe Brandlast aus und können mit Füllstoffen und Fasern interagieren. Im Brandfall bilden sie eine keramische Schutzschicht aus.
Auch unter Brandbedingungen bleibt die Funktion eines siliconharzgebundenen Laminats deshalb erhalten.
Faserverbundwerkstoffe auf Siliconharzbasis eignen sich daher als z.B. als Hitzeschild. So lässt sich die Passagierkabine im Fall eines Thermal Runaway gezielt schützen.
Für Siliconharz-Komposite im Bereich Brandschutz/Batteriesicherheit geeignete Produkte:
Welche Rolle spielt die Kombination aus Faserstruktur und Siliconharz?
Glas-, Carbon- oder mineralische Fasern weisen zwar hohe Temperaturbeständigkeiten auf. Sie sind aber je nach eingesetztem Textil durchlässig für Flammen und Partikel, die im Falle eines Thermal Runaways austreten.
Darüber hinaus ist ein reines Fasermaterial biegeweich und einzelne Fasern können verschoben werden. In der Summe ist der mechanische Widerstand häufig zu gering, um dem hohen Druck der auftreffenden Partikel entgegenzuwirken.
Durch die Kombination eines Siliconharzbindemittels mit einer temperaturbeständigen Verstärkungsfaser entstehen feste Kompositplatten. Diese schirmen sowohl Flammen als auch Partikel, die mit hohem Druck aus der Zelle austreten, über Stunden hinweg ab.
Sind die Ergebnisse des Thermal Propagation Test übertragbar?
Auf jeden Fall. Wir haben Standardlaminate aus unserem Labor getestet. Hersteller von Faserverbundwerkstoffen können gezielt andere Fasern auswählen oder den Lagenaufbau mit ihrem Knowhow optimieren. So können sie die Performance der Laminate maßschneidern und verbessern. In jedem Fall sind neue Tests mit dem konkreten Material erforderlich.
Wie wird der Verbundwerkstoff für Hitzeschilde gefertigt?
Siliconharzbasierte Komposite werden über einen zweistufigen Prozess aus Prepregs gefertigt. In einem ersten Schritt werden mit dem gewünschten Fasermaterial Siliconharz-Prepregs hergestellt. Im zweiten Schritt werden die Prepregs bei erhöhten Temperaturen unter Druck gehärtet. Generell sind auch andere in der Faserverbundindustrie gängige Verarbeitungsverfahren denkbar.
Wie wird ein Siliconharz-Prepreg im Detail hergestellt?
Zum Einsatz kommen derzeit vor allem feste Silikonharze (wie z.B. SILRES® MK). Diese werden über lösemittelbasierte Prozesse zur Herstellung von sogenannten Prepregs eingesetzt. Alternativ eignen sich hierfür auch Harzlösungen wie beispielsweise SILRES® K.
Imprägnierung
Fasermaterialien werden mit einer Siliconharzlösung und einem Katalysator vorimprägniert.
Trocknen
Die imprägnierten Fasern werden bei 100 – 150 °C (je nach Lösemittel) getrocknet.
Wie werden Siliconharz-Prepregs zum fertigen Verbundwerkstoff verarbeitet? Können auch komplexe Bauteilgeometrien realisiert werden?
Die Prepregs aus Siliconharz und Faser lassen sich bei hohen Temperaturen zu dreidimensionalen Formteilen verpressen. So können in automatisierbaren Prozessen großflächige Hitzeschilde gefertigt werden.
Dreidimensionale Formteile durch Heißpressen
Vorbereitung
Das Prepreg wird geschnitten und gestapelt.
Heißpressen/3D-Formgebung
Bei 160 – 200 °C werden die Prepregs zu dreidimensionalen Formteilen verpresst.
Tempern
Zusätzlich kann das Laminat getempert werden. (z.B. 200 °C).
Sind endkonturnahe Geometrien möglich?
Dreidimensionales Bauteil aus siliconharzgebundenem Glasfaserlaminat (links) und Carbonfaserlaminat (rechts)
Auch eine endkonturnahe Geometrie (mit Absätzen, Nuten, etc.), die mit dem gesamten Batteriedesign abgestimmt ist, ist möglich.
Die Dicke des Hitzeschilds variiert je nach Kundenanforderungen, Fasermaterial und Lagenaufbau von < 1 mm bis üblicherweise 2 mm. Auch das Nachbearbeiten in Form von Fräsen oder Ausstanzen ist möglich.
Kann ich bei WACKER ein Hitzeschild für Batterien von E-Fahrzeugen kaufen?
Nein, wir liefern keine fertigen Verbundwerkstoffe, sondern Siliconharze als Bindemittel.
Unsere Siliconharze haben wir intensiv mit folgenden Materialien getestet:
Unsere technischen Expertinnen und Experten beraten Sie gern bei der Formulierung Ihrer Rezeptur.
Gerne verweisen wir Sie an unsere Partner. Diese unterstützen Sie bei der Verarbeitung von Siliconharzen zu Prepregs oder fertigen Hitzeschilden.
Wie können wir Ihr Projekt voranbringen?
Christoph Popp, Global Segment Manager E-Mobility
Als führender Siliconhersteller verfügen wir über vier Exzellenzzentren rund um E-Mobility. Unsere globalen Teams begleiten OEMs und Tier1-Lieferanten von der Idee bis zur Serienfertigung.
Schreiben Sie uns!
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