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21.01.2019 | Verbindungstechnik | Nachricht | Onlineartikel

Kleb- und Dichtstoffe für die Konstruktion von Batteriemodulen

Autor:
Dr. Hubert Pelc

Um eine möglichst hohe Reichweite von elektrisch betriebene Fahrzeugen zur erreichen, werden Batterien mit hohen Speicherkapazitäten benötigt. Dabei kommen Batterien mit hoher Energiedichte zum Einsatz. Kleb- und Dichtstoffe spielen eine wichtige Rolle in der Konstruktion von Batteriemodulen und erfüllen ganz unterschiedliche Aufgaben. 


Die für die Elektrifizierung benötigten Batteriemodule sind relativ groß und schwer, sodass die Temperatur unter Fahrbetrieb bis auf 80 °C ansteigen kann. Einzelne Batteriezellen sitzen in einem Modul, welches üblicherweise aus Aluminium hergestellt wird. Das gesamte Modul wird in den Fahrzeugunterboden integriert. 
Kleb- und Dichtstoffe erfüllen verschiedenste Aufgaben und basieren auf unterschiedlichen chemischen Ansätzen:
•    Hochfeste und zähelastifizierte, zumeist auf Epoxidharz basierende Klebstoffe verkleben Batteriemodule crashfest und widerstehen dynamischen Belastungen unter Fahrzeug-Crash-Szenarien.
•    Wärmeleitfähige Klebstoffe, mit denen Kühlelemente an Batteriemodule angebracht werden, garantieren eine effektive Kühlung unter Batteriebetrieb.
•    Die Batteriezellen selbst sitzen auf wärmeleitfähigen Dichtmassen, welche die Wärme unter Fahrbetrieb effektiv abführen.
•    Elastische Dichtklebstoffe versiegeln Batteriemodule gegen äußere Medien, wie zum Beispiel Wasser.

Maßgeschneiderte Klebstofflösungen für Batterieanwendungen

Die aktuell verbreitetste Batteriezellen-Technologie basiert auf der Li-Ionen-Technologie. Die detaillierten Konzepte und Strategien des Batteriedesigns unterscheiden sich von Hersteller zu Hersteller. Allen Batterien für Automobil-Anwendungen ist aber gemein, dass einzelne Batteriezellen meist zu Batteriemodulen zusammengebracht und diese dann in einem Batteriekasten angeordnet werden. Zudem wird unabhängig zu der Batteriezellen-Technologie aus zwei Gründen eine Temperaturkontrolle benötigt:
1.    Beim Laden und Entladen wird Hitze generiert, die abgeführt werden muss, um eine Schädigung der Zellen zu verhindern.
2.    Bei kalten Umgebungstemperaturen muss die Batterie erwärmt werden, um die Effizienz einzuhalten. 

Strukturelle und crashfeste Klebstoffe 

Der Batteriekasten, in den Batteriezellen oder Batteriemodule eingesetzt werden, wird oft aus Aluminium hergestellt. Die verschiedenen Bauteile, die den Batteriekasten bilden, können durch unterschiedliche mechanische Fügetechniken miteinander verbunden werden. Wie auch im Aufbau der Fahrzeugstruktur, wird der Einsatz von strukturellen und crashfesten Klebstoffen parallel zu mechanischen Punktfügeverfahren genutzt. Genau wie in der Struktur ermöglicht die Verwendung von crashresistenten Klebstoffen mit einem hohen Modul und hoher Festigkeit den Bau von Batteriekästen mit einer ausgezeichneten strukturellen Stabilität und Steifigkeit, damit die Batterie auch im Falle eines Crashs vor Schäden geschützt ist. Für diese Anwendung wurden bei der Firma Dow strukturelle, crashfeste zweikomponentige (2K) Epoxidharz basierte Klebstoffe entwickelt, welche sowohl eine ausgezeichnete Haftung auf Aluminium und eine hohe Steifigkeit – gekennzeichnet durch ein E-Modul von über 1000 MPa – als auch eine hohe Resistenz gegen dynamische Belastungen (Crash) aufweisen. 

Dicht- und Klebstoffe 

Neben den strukturellen Klebstoff-Anwendungen im Batteriekasten werden auch Dicht- und Klebstoffe benötigt, um die Batterie gegen äußere Einflüsse abzuschirmen. Einkomponentige (1K) Dicht- oder Klebstoffe auf Basis von Polyurethan (PU) sind dazu nur begrenzt geeignet, da eine Haftung auf unlackierten Aluminium-Substraten gefordert wird. Im Gegensatz zu den 1K-PU-Klebstoffen können einkomponentige silanmodifizierte Polymer-Klebstoffe (SMP) so entwickelt und ausgelegt werden, dass eine gute Haftung auf unbehandeltem Aluminium ermöglicht wird. (Bild 3). Die Haftung bleibt auch nach Auslagerung in flüssigen Medien, wie Glykol, nach Klimawechseltests im Rahmen zyklischer Expositionen (zwischen -40 °C und +80 °C) und hohen Luftfeuchtigkeiten erhalten. 

Klebstoffe für das Wärme-Management

Auch für das thermische werden Klebstoffe benötigt. Beim Laden und Entladen der Batteriezellen entsteht Wärme, die abgeführt werden muss, um eine Schädigung der Batteriezellen bei über 80 °C zu verhindern. Wenn die Batteriezellen eine zu hohe Temperatur erreichen, kann es zu einem Leistungsabfall oder sogar zu einem thermischen Durchgehen kommen. Deshalb beinhalten die Batteriekonzepte ein Kühlsystem, was zumeist aus einem hohlen Alumium-Profil besteht, durch das eine Wasser/Glykol-Kühlflüssigkeit gespült wird. Mit den Kühlelementen müssen weitere metallische Anbauteile strukturell verbunden werden. Wenn die Anbauteile mit konventionellen Epoxid- oder Polyurethan-Klebstoffe angebracht werden, wirkt der Klebstoff durch die üblichen Wärmeleitfähigkeiten von ca. 0,3 W/mK als thermischer Isolator. Da aber eine solche Temperatur-Blockade nicht gewünscht ist, wurden 2K-Polyurethan-Klebstoffe entwickelt, die eine deutlich erhöhte Wärmeleitfähigkeit von >1 W/mK aufweisen. 

Die Hintergründe zu diesem Inhalt

2018 | OriginalPaper | Buchkapitel

Lithiumionen-Batterien

Quelle:
Elektrochemische Speicher

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