Die Klebtechnik und der Einsatz von Klebebändern haben sich in der Batteriemodulfertigung als essenziell etabliert. Sie ermöglichen nicht nur die sichere und effiziente Verbindung verschiedener Komponenten, sondern tragen auch maßgeblich zur Leistungsfähigkeit, Sicherheit, Langlebigkeit und zum Wärmemanagement der Batterien bei.
Die Techniken rund um das Kleben, Dichten, Vergießen und vor allem der Einsatz von Klebebändern sind bei der Montage von Modulen und Batteriepacks nicht mehr wegzudenken.
Lithium-Ionen-Hochspannungsbatteriekomponente für Elektrofahrzeug oder Hybridauto.
Elektrische Isolation und Erhalt der Betriebssicherheit
Die erste und wichtigste Funktion ist eine zuverlässige elektrische Isolation. Bei Spannungen von 300 bis über 1000 V müssen Fehlfunktionen oder gar Kurzschlüsse vermieden werden. Das betrifft neben den Batterieelektrischen Speichersystemen (BESS) vor allem Fahrzeuge der Elektromobilität. Ein Bestandteil der Maßnahmen zur Gefahrenabwehr sind Klebebänder mit hohen dielektrischen Eigenschaften:
Isolierende Klebebänder: In der Elektrotechnik sind kostengünstige Polyesterfolien allgegenwärtig, die gute mechanische und elektrische Eigenschaften miteinander verbinden. Diese Folien verhindern auch bei hohen Spannungen den Stromfluss zwischen den verschiedenen Komponenten des Moduls und schützen vor Kurzschlüssen. Isolationsfolien widerstehen dabei auch extremen Bedingungen wie permanente Temperaturwechsel und Vibrationen, ohne ihre Isolationseigenschaften zu verlieren. Für höhere Einsatztemperaturen gibt es Isolationsfolien und Isolationsklebebänder auf Basis von Polyimid, die Temperaturen bis 180 °C widerstehen.
Klebebänder aus Polyimid (beispielsweise Kapton von DuPont) oder Polyesterfolien haben durch die formstabile Isolationsfolie eine definierte Spannungsfestigkeit (bis zu mehreren kV). Bei Bedarf werden diese Materialien in mehrlagigen Konstruktionen eingesetzt, um die Isolationseigenschaften zu optimieren.
Neben Klebebändern werden in vielen Bereichen der Elektrotechnik/Elektronik auch Isolationslacke (Überzugslacke) eingesetzt. Deren zuverlässige Dosierung (Schichtstärke) ist nicht unproblematisch und geometrieabhängig. Ein Vollverguß mit Gießharzen (Epoxid, Polyurethan, Silikon) erhöht zwar in vielen Fällen die Spannungsfestigkeit und die Umweltbelastbarkeit, erhöht jedoch auch signifikant das Gewicht. Überzugslacke werden oft auf Platinen eingesetzt, um den „Verschmutzungsgrad (IEC 60664)“ zu verbessern.
Isolierende Klebstoffe aus Epoxid-, Silikon-, Polyurethanharzen können unter definierten Bedingungen neben der Fixierung auch eine isolierende Funktion haben.
Isolatoren aus Spritzguss oder Keramik sind im Gegensatz zu Klebstoffen und Klebebändern oft weniger flexibel und können bei Vibrationen brechen (Ermüdungsbruch). Luftspalte zwischen den Bauteilen sind keine zuverlässige Isolation, da sie durch Feuchtigkeit oder Verunreinigungen beeinträchtigt werden können. Wo hingegen eine mechanisch hoch belastbare Verbindung erforderlich ist, verwenden Konstrukteure dennoch solche Bauteile, auch wenn sie meist schwerer sind als Klebeverbindungen.
Wärmemanagement
Wo Strom fließt, entsteht (Verlust-)Wärme. Ein effektives Wärmemanagement ist entscheidend für die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer von Batterien. Vor allem beim Laden und Entladen der Batterie entsteht Wärme. Beispiel: Selbst bei einem hohen Wirkungsgrad von 90 % entsteht bei einer Ladeleistung von 100 kW rund 10 kW Verlustwärme - viel mehr, als ein haushaltsüblicher Heizlüfter leisten kann. Das Wärmemanagement wird jedoch auch dazu benötigt, um kalte Batterien effektiv aufzuwärmen, unter anderem um eine vorzeitige Alterung durch Lithiumplattierung zu vermeiden.
Batterie-Energiespeichersysteme (BESS) werden zur Speicherung von Energie (oft aus einer erneuerbaren Quelle) für die spätere Nutzung in kritischen Zeiträumen eingesetzt.
Wärmeleitfähige Klebstoffe/Klebebänder: Um die beim Betrieb unweigerlich entstehende (Verlust-)Wärme effizient von den Zellen abzuführen, können wärmeleitende Produkte eingesetzt werden. Sie vermitteln zwischen der Batteriezelle und einem zum Beispiel metallenen Gehäuse, das als Kühlkörper fungiert. So tragen sie zu einer gleichmäßigen Temperaturverteilung im Modul bei. Dies optimiert die Zellleistung und verhindert vorzeitigen Verschleiß.
Eingesetzt werden wärmeleitende Klebstoffe auf Epoxid- oder Silikonbasis mit Füllstoffen wie Aluminiumoxid (Al2O3), Bornitrid (BN), Graphit oder keramischen Partikeln. Ähnlich funktionieren wärmeleitfähige Klebebänder mit eingearbeiteten oder beschichteten wärmeleitenden Materialien. Sie bilden im optimalen Fall einen formschlüssigen Verbund zwischen Wärmequelle (Zelle) und Wärmesenke (Kühlung) und vermeiden so schlecht wärmeleitende Luftspalte. Doppelseitig klebend erfüllen sie zusätzlich eine Fixierungsfunktion.
Rein mechanisch angekoppelte Kühlkörper dagegen benötigen zusätzliche Befestigungselemente und können zu ungleichmäßiger Wärmeableitung führen (Lufteinschlüsse, unterschiedlicher Kontaktdruck). Wärmeleitpasten als Gegenmaßnahme sind schwerer zu dosieren und können im Laufe der Zeit auspressen oder austrocknen. Die direkte Kühlung mit isolierenden Flüssigkeiten ist komplexer und erfordert zusätzliche Dichtungen und Aggregate.
Verhinderung von Thermal Runaway
Ein Thermal Runaway in Batteriemodulen, insbesondere bei Lithium-Ionen- Batterien, ist ein gefährliches Phänomen, bei dem eine Überhitzung einer Zelle eine Kettenreaktion auslöst, die zu einem unkontrollierten Temperaturanstieg in den benachbarten Zellen führt. Dies kann im schlimmsten Fall zu Bränden oder Explosionen führen. Klebstoffe und Klebebänder mit speziellen thermischen Eigenschaften können hier Abhilfe schaffen:
Flammhemmende Klebstoffe/Klebebänder: Im Falle eines Thermal Runaway können diese Materialien die Ausbreitung der Hitzeentwicklung verlangsamen oder sogar einen Brand verhindern. Sie bilden eine Barriere gegen die Hitzeentwicklung einer durchgehenden Batteriezelle und können brandhemmend wirken.
Spezielle Klebebänder mit geringer Wärmeleitfähigkeit können zwischen den einzelnen Zellen oder Modulen eingesetzt werden, um die Wärmeübertragung zu verlangsamen. Dadurch wird verhindert, dass die Hitze einer überhitzten Zelle schnell auf die Nachbarzellen übergreift und dort ebenfalls einen Thermal Runaway auslöst. Auch flammschutzmittelhaltige Klebstoffe und Klebebänder werden eingesetzt. Durch die Kombination von thermischer Isolierung und flammhemmenden Eigenschaften kann das Klebeband effektiv verhindern, dass sich die Hitze in benachbarte Zellen ausbreitet und somit ein thermisches Durchgehen verhindert wird. Auch anorganische Produkte wie Mica (Glimmer) oder Keramikfolien werden eingesetzt.
Der Einsatz von mechanischen Barrieren ist zwar naheliegend, sie sind jedoch oft sperriger und erhöhen das Gewicht. Intumeszierende Materialien schäumen im Brandfall auf und bilden eine wärmeisolierende Schicht, sind aber in der Anwendung komplexer und benötigen eine größere Mindeststärke (Volumen).
Ausgleich des „Atmens“ von Pouchzellen
Pouchzellen sind in der Anwendung beliebt, da sie einige Vorteile wie geringes Gewicht, hohe Volumenkapazität und gute Wärmemanagement-Eigenschaften bieten. Allerdings dehnen sie sich während des Lade- und Entladevorgangs aufgrund von Volumenänderungen im Inneren aus, was man als „Atmen“ der Batteriezelle bezeichnet. Klebstoffe und Klebebänder müssen diese Bewegung aufnehmen können, ohne übermäßige mechanische Spannungen auf die Zellen auszuüben:
Elastische Klebstoffe/Klebebänder: Spezielle, selbstklebende Schaumstoffe (Moose, Vliese) können die zyklischen Volumenänderungen der Pouchzellen kompensieren und so die Lebensdauer der Batterie verlängern. Sie halten dabei eine möglichst konstante mechanische Spannung, zum Beispiel als Lagefixierung, aufrecht.
Im Einsatz sind vor allem Klebstoffe auf Basis von Silikon-, Polyurethan- und modifizierte Silanpolymere (MS-Polymere). Ebenfalls häufig werden kompressible Schaumstoffklebebänder (PU) mit guter Rückstellkraft oder dehnbare Transferklebebänder aus Acryl- oder Gummibasis verwendet, gegebenenfalls flammhemmend.
Starre Verbindungen würden zu mechanischen Spannungen in den Zellen und somit zu deren Beschädigung führen. Mechanische Federelemente sind komplexer in der Konstruktion.
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Elektromagnetische Schirmung (EMV)
Batteriemodule senden elektromagnetische Störungen (E- und H-Feld) aus, die andere elektronische Systeme, zum Beispiel in Elektrofahrzeugen, beeinträchtigen können. Umgekehrt können auch externe elektromagnetische Felder die Funktion der Batterie (BMS) stören. Spezielle Klebstoffe und Klebebänder mit leitfähigen Partikeln (beispielsweise Metallpartikeln wie Silber, Nickel oder Kupfer) und Metallfolien als Träger ermöglichen eine effektive EMV-Schirmung:
Leitfähige Klebstoffe/Klebebänder: Diese Materialien bilden eine leitfähige Verbindung zwischen den verschiedenen Komponenten des Moduls und leiten so elektromagnetische Störungen ab. Sie werden oft in Kombination mit Gehäusematerialien verwendet, um einen Faraday'schen Käfig zu bilden.
Im Einsatz sind leitfähige Klebstoffe und Klebebänder mit Silber- oder Kupferpartikeln. Bei Klebebändern werden elektrisch leitfähige Textilklebebänder oder dünne Metallfolien eingesetzt.
Metallgehäuse dagegen bieten zwar eine gute Schirmung, sind aber schwerer und teurer. Leitfähige Beschichtungen auf Kunststoffgehäusen können weniger flexibel sein und sind anfälliger für Beschädigungen.
Reduktion inaktiver Materialien zur Erhöhung des Leistungsvolumens
Der Einsatz von Klebstoffen und Klebebändern kann herkömmliche mechanische Verbindungselemente wie Schrauben oder Nieten reduzieren oder sogar ersetzen. Dies führt zu einer kompakteren Bauweise und einem höheren Energiegehalt pro Volumeneinheit:
Dünne Klebstofffilme/Klebebänder: Moderne Klebstoffe und Klebebänder ermöglichen sehr dünne Klebschichten, was zu einer Platzersparnis und somit zu einer Erhöhung des aktiven Materialvolumens führt. Zum Beispiel bei prismatischen Zellen ermöglichen sie eine hochspannungsfeste Isolation. In Form doppelseitiger Klebebänder verbinden sie zusätzlich einzelne Zellen zu einem ganzen Batteriemodul, ohne dass eine mechanische Fixierung notwendig wäre.
Gewichtsreduktion, Leichtbau und Abdichtung
Klebverbindungen sind im Allgemeinen leichter als mechanische Verbindungen und erzeugen keine mechanischen Spannungsspitzen.
Die Verwendung von leichten Klebstoffen und Klebebändern, insbesondere in Kombination mit leichten Gehäusematerialien (zum Beispiel Kunststoffe oder Aluminium), ermöglicht eine signifikante Gewichtsreduktion bei der Herstellung von Batteriemodulen und Batteriepacks. Doppelseitige Klebebänder erfüllen zusätzlich Aufgaben wie Abdichtung gegenüber Umwelteinwirkungen. Sie tragen auch zur Reduktion von Vibration bei und vermindern die Weiterleitung von Körperschall. Zudem gleichen Sie als dauerelastisches Material Unterschiede im thermischen Ausdehnungskoeffizienten aus und verbinden gänzlich unterschiedliche Materialien (beispielsweise Aluminiumblech mit GFK). Klebeverbindungen können auch wieder lösbar ausgeführt werden, was bei der Reparatur vorteilhaft ist.
Mechanischer Schutz
Eine Aufgabe von Klebebändern ist auch der Schutz der empfindlichen Batteriezellen vor mechanischen Einflüssen wie Vibrationen, Stößen und Schlägen:
Strukturklebstoffe/Klebebänder: Diese Materialien bilden eine feste und dauerhafte Verbindung zwischen den verschiedenen Komponenten des Moduls und erhöhen so dessen Stabilität und Widerstandsfähigkeit. Mechanisch robust Klebebänder (zum Beispiel Glasgewebeklebebänder) verhindern mechanische Beschädigungen und werden zur Fixierung eingesetzt. Klebebänder mit Dämpfungseigenschaften können Vibrationen und Stöße absorbieren, die ebenfalls zu einer Beschädigung der Batterie und somit zu einem Thermal Runaway führen könnten.
Für Strukturverklebungen (also endfeste Verklebungen) werden meist Epoxid- und Acrylklebstoffe eingesetzt. Hochfeste doppelseitige Klebebänder sorgen mit ihrer hohen Scher- und Schälfestigkeit für eine dauerhafte Fixierung, während Schaumklebebänder vibrationsdämpfend wirken. Dickere Folienklebebänder dienen als mechanischer und elektrischer Schutz und gleichen Maßtoleranzen aus. Vergussmassen (Epoxid, Polyurethan, Silikon) kapseln bei Bedarf Baugruppen komplett ein und erhöhen den Widerstand gegen Krafteinwirkungen, zum Beispiel bei einem Unfall.
Natürlich werden auch mechanische Befestigungen und Schutzvorrichtungen eingesetzt. Diese können jedoch beispielsweise zu Spannungskonzentrationen (mechanischen Spannungsspitzen) führen und sind meist schwerer.
Fazit
Die Klebtechnik und der Einsatz von Klebebändern sind integrale Bestandteile der modernen Batteriemodulfertigung. Sie ermöglichen die Herstellung von sicheren, leistungsfähigen, langlebigen und thermisch optimierten Batterien, die den hohen Anforderungen der Elektromobilität gerecht werden. In vielen Fällen erleichtern sie auch das Recycling von Batteriepacks, wenn die Klebeverbindung wieder lösbar ausgeführt wurde.
Klebebänder aus Polyimid zeichnen sich durch eine hohe elektrische Spannungsfestigkeit, eine gute Temperaturbelastbarkeit und einen geringen Schrumpf aus.
Die Auswahl des richtigen Klebstoffs oder Klebebands ist dabei entscheidend und hängt von den spezifischen Anforderungen der jeweiligen Anwendung ab. Faktoren wie Materialverträglichkeit, Verarbeitungsparameter, Umgebungsbedingungen, Kosten und geforderte Normen (zum Beispiel UL, VDA, IEC, ISO) spielen eine wichtige Rolle bei der Materialauswahl. Die ständige Weiterentwicklung neuer Klebstoff- und Klebebandtechniken ermöglicht einen zunehmenden Einsatz in der Konstruktion moderner Batteriemodule und Batteriepacks.
Springer Professional
Antriebsbatterien
Christiane Köllner: Mehrheit sieht Vorteile von Wechselakkus für E-Autos. https://sn.pub/tk970a
