Fügen, Schützen, Wärmeleiten: Das Aufgabenspektrum von Kleb- und Dichtstoffen in Lithium-Ionen-Batterien ist breit. Der Dosiertechnik eröffnen sich neue Anwendungsfelder, aber auch Herausforderungen.
Bei der Fertigung von Batteriepacks kommen verschiedene Dosieranwendungen zum Einsatz.
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Über hohe Energiedichten sollen Lithtium-Ionen-Batterien verfügen und dabei crashfest und möglichst leicht sein. Nach Außen müssen sie zudem vor Schmutz, Staub und Feuchte abgeschirmt werden. Kleb- und Dichtstoffe spielen beim Erfüllen dieser Anforderungen eine wesentliche Rolle. Sie verbinden nicht nur die einzelnen Komponenten einer Batterie – mal strukturell, mal elastisch. Sie sorgen auch dafür, dass die Temperatur der sensiblen Batteriezellen beim Laden und im Betrieb 80 °C nicht übersteigt, sie verhindern Kurzschlüsse zwischen den Zellen und versiegeln die Batterie.
Batteriezellen für moderne Lithium-Ionen-Batterien werden zu Modulen zusammengefasst und anschließend ins Batteriegehäuse eingesetzt. Die Gehäuse bestehen heute zumeist aus Aluminium. In ihrem Inneren befindet sich das Kühlsystem: regalartig angeordnete, mit Kühlflüssigkeit durchströmte Alumiumprofile, zwischen denen die Batteriemodule eingebettet sind.
Crashfeste Klebstoffe versteifen Batteriegehäuse
Arten und Aufgaben der Kleb- und Dichtstoffe in Batterieanwendungen fassen die Autoren um Sergio Grunder vom Unternehmen DowDuPont in der Zeitschrift Adhäsion 1-2/19 zusammen. Das Spektrum umfasst dabei sowohl hochfeste als auch zähelastifizierte Klebstoffe und Dichtmassen, die je nach Einsatzort zusätzlich wärmeleitfähig und/oder elektrisch isolierend sind.
Für den Aufbau der Gehäuse kommen parallel zu mechanischen Punktfügeverfahren hochfeste Klebstoffe mit Elastizitätsmoduln von über 1000 MPa zum Einsatz. Sie versteifen das Gehäuse und sollen dabei nicht nur Crashs und dynamischen Lasten standhalten, sondern die Batterie gegen Hitze, Feuchtigkeit und korrosive sowie flüssige Medien abdichten. Erfüllt werden diese Anforderungen von zweikomponentigen (2-K) Klebstoffen auf Epoxidharzbasis. Wo am Gehäuse keine strukturellen Lasten anliegen, kommen zudem einkomponentige (1-K) silanmodifizierte Polymer-Klebstoffe zum Einsatz, die auch auf unklackierten Aluminiumsubstraten haften und starken Korrosions- und Temperaturwechsellasten standhalten.
Dosiertechnik vor Herausforderungen
Für das Wärmemanagement in der Batterie wurden spezielle 2-K-Polyurethan-Klebstoffe entwickelt. Strukturelle 2-K-Klebstoffe mit Wärmeleitfähigkeiten von mehr als 1 W/mK verbinden beispielsweise die Profile des Kühlsystems mit dem Gehäuse. Batteriemodule werden über Dichtmassen mit Wärmeleitfähigkeiten von zum Teil deutlich über 2 W/mK thermisch an das Kühlsystem gekoppelt. Die Dichtmassen halten Temperaturen zwischen -40 und 80 °C stand, sie dämpfen Vibrationen im Betrieb und kompensieren zudem Relativbewegungen zwischen den einzelnen Komponenten.
Mit den unterschiedlichen Anforderungen und Einsatzbereichen von Kleb- und Dichtstoffen in der Batterie eröffnen sich Herstellern von Dosieranlagen zahlreiche neue Anwendungsfelder. Im Beitrag Kleben, Dichten und Vergießen in der Batteriefertigung in der Adhäsion 7-8/22 verschweigt das Autorenteam um Carolin Gachstetter vom Unternehmen bdtronic jedoch auch nicht die Herausforderungen dabei. Eine betrifft die Fixierung der Batteriezellen beim Aufbau der Module. Hierfür müssen die zwei Komponenten des elektrisch isolierenden Klebstoffs im Verhältnis 100:5 gemischt werden, wobei der Klebstoff aus einer hoch- und einer niederviskosen Komponente besteht. Vergussmaterial und Dosierprozess müssen im Prozess genau auf die Batteriezellen abgestimmt werden, damit während des Vergießens keine Lufteinschlüssen zwischen den Zellen entstehen.
Abrasive Wärmeleitpasten beherrschen
Die fertigen Module werden später in die Batteriegehäuseschale eingesetzt und dabei mit dem Rahmen des Kühlsystems verbunden. Die komplexe Geometrie der Zellen erfordert laut den Autoren eine Dosierlinie mit zahlreichen Ecken und Richtungswechseln. Dosierleistung und Geschwindigkeit der Achsbewegung müssen dabei so verknüpft und gesteuert werden, dass der Klebstoff gleichmäßig und mit einer möglichst kurzen Zykluszeit aufgetragen wird.
Die Dosierung der thermisch leitfähigen Pasten ist nach Angaben der Autoren besonders herausfordernd. Die sogenannten Gapfiller sind hochgefüllt mit abrasiven Stoffen und erfordern entsprechend verschleißarme Dosiersysteme. Die Materialförderungen muss zudem mit möglichst wenig Druck erfolgen, damit sich die Wärmeleitpaste nicht entfüllt. Nach Angabe der Autoren bewähren sich Exzenterschneckenpumpen für diese Aufgabe.
Damit sich bei Unterbrechen der Applikation keine Fäden bilden, müssen die servogesteuerte Dosierpumpe, die Applikationsrobotik und die Dosierkontur präzise aufeinander abgestimmt werden. Gleiches gilt für das robotergestützte Aufbringen von Flüssigdichtungen für Gehäuseverklebungen. Hier sind laut den Autoren insbesondere Start- und Stopppunkte der Klebraupen anfällig für Undichtigkeiten und Fehler.
Zu viel Wärmeleitpaste wird verschwendet
Die Materialverschwendung beim Auftrag von Wärmeleitpasten rücken Daniel Bös und Fabian Schaaf vom Unternehmen Atlas Copco in ihrem Beitrag Intelligentes Wärmemanagement im Batteriefügeprozess in der Adhäsion 7-7/22 in den Fokus. Die Autoren überschlagen, dass in einem Fahrzeug bis zu 15 kg Wärmeleitmedien verbaut sind, wobei sich die Kosten auf etwa 10 Euro/kg berechnen. Besonders bei der Dosierung der Pasten zwischen Zellmodul und Batteriefach – die Spalte weisen hohe Toleranzen zwischen 0,5 und 3 mm auf – tragen Hersteller den Autoren zufolge oftmals zu viel Material auf, um so der Gefahr von unzureichenden Füllungen und Lufteinschlüssen vorzubeugen.
Die Autoren stellen in ihrem Beitrag deswegen ein Dosiersystem mit angekoppelter Bildverarbeitung vor. 3-D-Sensoren vermessen im Prozess zunächst die Fügeflächen von Batteriemodul und Batteriefach. Ein Algorithmus berechnet anschließend die optimale Materialmenge für die jeweilige Applikation und übermittelt einen entsprechenden Parametersatz an die Anlagensteuerung. Laut der Autoren lassen sich damit Gewicht und bis zu 20 % der Materialkosten einsparen.
Problematisch ist den Autoren zufolge jedoch auch der Materialverlust beim Behälterwechsel. Die Fässer seien wegen der hohen Materialdichte oftmals nur zur Hälfte gefüllt, und herkömmliche Pumpen seien nicht in der Lage, ein Fass vollständig zu entleeren. Bei einem 200-l-Gebinde mit einer Füllmenge von 150 l blieben deswegen bei jedem Fasswechsel etwa 3 bis 6 l ungenutzt zurück. Mit einer neuen Generation von Pumpen, die den Fasswechsel weitgehend automatisiert und kein manuelles Entlüften und Spülen der Fässer mehr erfordert, lässt sich der Materialverlust beim Fasswechsel den Autoren zufolge auf 1 l senken.