Hochvoltbatterien durch Komponenten aus Kunststoff optimieren

Die Entwicklung bei Lithium-Ionen-Batterien ist noch nicht abgeschlossen. Damit Elektrofahrzeuge sich langfristig durchsetzen können, arbeiten Hersteller mit Hochdruck daran, die Leistung und die Reichweite der Batterien zu erhöhen, ihr Gewicht zu reduzieren, die Sicherheit, den Brandschutz und die Nachhaltigkeit zu verbessern sowie die Kosten zu reduzieren. Entwickler von Hochvoltbatterien* sind gefordert, Materialien und Designkonzepte laufend zu optimieren und eigene Produktentscheidungen regelmäßig auf den Prüfstand zu stellen.

Wichtige Anforderungen bei der mechanischen Integration von Komponenten sind vor allem die elektrische Isolierung, Hitzebeständigkeit und Flammschutzeigenschaften sowie je nach Komponente weitere Kriterien wie z.B. Dimensionsstabilität, chemische Widerstandsfähigkeit oder Crash-Resistenz.

Elektrofahrzeuge werden mit hohen Stromspannungen von etwa 400 Volt betrieben, Tendenz steigend bis zu 800 Volt und mehr für höhere Leistungsanforderungen. Höhere Spannungen reduzieren Verlustleistungen und erlauben schnelleres Laden. Sie stellen jedoch auch höhere Anforderungen beispielsweise an die elektrische Isolation von Batteriesystemen.

Kunststoffe sind grundsätzlich elektrische Isolatoren, während Metalle elektrisch leiten. Daher ist Kunststoff in HV-Batterien der Werkstoff der Wahl, wenn es um elektrische Isolierung geht.

Die Leistungsfähigkeit von Hochvoltbatterien hängt wesentlich von den bestehenden Temperaturen ab. Der optimale Temperaturbereich für den Betrieb von Lithium-Ionen-Batterien liegt aufgrund ihrer chemischen Eigenschaften bei 20 °C bis 40 °C.

Deshalb spielt das Thermomanagement für die Leistungsfähigkeit und Sicherheit von Hochvoltbatterien eine zentrale Rolle. Komponenten aus Kunststoff übernehmen hier wichtige Aufgaben sowohl für die thermische Isolierung des Batteriegehäuses gegen externe Einflüsse als auch für die gezielte Wärmeabführung von Zellen und Komponenten innerhalb des Batteriesystems.

Neben elektrischen und thermischen Eigenschaften sind bei der Auswahl der passenden Materialien für Strukturkomponenten in Hochvoltbatterien besonders mechanische Eigenschaften wie Steifigkeit, Festigkeit und Crash-Eigenschaften von Bedeutung.

Wesentliches Ziel bei der Konstruktion von HV-Batterien für Elektrofahrzeuge ist die Vermeidung bzw. Verzögerung von Bränden. Intelligente Batteriemanagement-Systeme helfen, einer Überlastung der Batterie und kritischer Hitzeentwicklung vorzubeugen. Flammhemmende und hitzebeständige Werkstoffe wie etwa thermoplastische Kunststoffe tragen dazu bei, Brände zu vermeiden bzw. deutlich zu verzögern.

Elektrofahrzeuge sind wegen ihrer Batterien schwerer als vergleichbare Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor. Deshalb spielt Gewichtseinsparung eine zentrale Rolle bei der Konstruktion von Elektrofahrzeugen und insbesondere beim Batterie-Design. Die Werte der spezifischen Dichte gängiger Werkstoffe in Hochvoltbatterien sprechen für sich: Technische Kunststoffe sind im Vergleich zu Metallen bei gleicher Leistung deutlich leichter - auch im Vergleich zu sehr leichten Metallen wie Aluminium und Magnesium.

Das Ziel des Pariser Klimaabkommens, bis 2030 55 Prozent CO2 einzusparen und bis 2050 Klimaneutralität zu erreichen, zwingt Batteriehersteller, den Carbon Footprint ihrer Produkte auf den Prüfstand zu stellen und laufend zu optimieren. „Batterien, die in der EU in Verkehr gebracht werden, sollten über ihren gesamten Lebenszyklus nachhaltig, leistungsfähig und sicher sein.” - European Green Deal