Eine Lithium-Ionen-Batterie besteht aus vielen Modulen. Diese wiederum bestehen aus zahlreichen Einzelzellen mit zum Teil über zwanzig Komponenten, die sich sowohl in ihrer chemischen Zusammensetzung als auch in ihrer Geometrie unterscheiden. Nicht selten sind Metalle, Kunststoffe, Graphit oder Silizium in ihnen verbaut. Eine hochwertige Verbindung ist daher entscheidend für die Leistungsfähigkeit und Langlebigkeit einer Batterie. Aufgrund ihrer vielfältigen Eigenschaften spielen Kleb- und Dichtstoffe bei der Konstruktion von Batteriemodulen eine enorm wichtige Rolle.
Sie erfüllen die unterschiedlichsten Anforderungen, beherrschen den Materialmix, sind crashfest, widerstehen dynamischen Belastungen und können Batteriemodule völlig luftdicht gegen äußere Medien wie zum Beispiel Wasser versiegeln. Wärmeleitfähige Klebstoffe sind sogar in der Lage, die beim Laden und Entladen generierte Hitze abzuführen und so eine Schädigung der Zellen zu verhindern. Auch in Punkto Nachhaltigkeit tragen die richtigen Klebstoffe in der Weiterentwicklung des Thermomanagements von Akkus dazu bei, die Haltbarkeit verlängern und Leistungsfähigkeit zu verbessern.
Mit neuer Zelltechnologie zu mehr Reichweite
Seit Aufkommen der E-Mobilität in den 2000er Jahren wird zunehmend auf den Einsatz einzelner Batteriemodule verzichtet. Stattdessen baut man Batteriezellen direkt in ein großes Batteriepack ein. Indem man auf diese Weise einen Integrationsschritt überspringt, kann eine größere Anzahl an Zellen verbaut und gleichzeitig die Anzahl der Batteriekomponenten reduziert werden. Diese sogenannte „cell-to-pack“-Technologie wird häufig angewandt, um Platz und Kosten einzusparen und die Batterieleistung so zu erhöhen, dass elektrisch betriebene Fahrzeuge mit mehr Reichweite und Speicherkapazität aufwarten können.
Schnelles Aufladen erhöht die Brandgefahr
Der Trend hin zu größeren Batteriezellen birgt jedoch ein Risiko. Das in den Zellen enthaltene Metall Lithium ist reaktionsfähig und leicht brennbar. Schnellladungen sind ebenso schädlich für die Batterie wie Über- und Unterladungen oder Ladungen bei zu niedrigen Temperaturen. Lithium-Ionen-Batterien sind nur für eine bestimmte Menge an elektrischer Energie ausgelegt. Wird diese Grenze überschritten, kann die Zellchemie degenerieren. Ein instabiler Batteriezustand hat in der Regel eine Überhitzung der Zellen zur Folge.
Dieser einmal begonnene Prozess des „Thermal Runaways“ kann nicht mehr gestoppt werden. Die Folge sind Kurzschlüsse oder Brände. Mit der Frage, wie man modulfreie Batteriesysteme wirksam gegen Feuer schützen kann, hat sich das amerikanische Klebstoffunternehmen H.B. Fuller intensiv auseinandergesetzt. H.B. Fuller ist jahrzehntelanger Partner der Ruderer Klebetechnik GmbH und beliefert seit mehr als einem Jahrhundert Branchen wie die Elektrotechnik, Automotive und Transport, Bau und Konstruktion, Medizintechnik, Möbelfertigung sowie die Textil- und Kunststoffverarbeitung.
Mehr Batteriesicherheit durch bahnbrechenden Batterieschaum
Aufgrund der immer höheren Ansprüche an elektrische Fahrzeuge arbeitet H.B. Fuller kontinuierlich daran, die Sicherheit von Batterien durch die Weiterentwicklung seiner Kleb- und Dichtstoffe zu verbessern. Der von H.B. Fuller speziell für Batterien entwickelte und patentierte Batterieschaum EV Protect 4006 SFR E darf hierbei geradezu als bahnbrechend bezeichnet werden. Dieser Zweikomponenten-Polyurethanschaum hat eine niedrige Dichte. Er bietet Batteriekonstrukteuren die Möglichkeit, die Leistungsdichte ihres Moduls zu erhöhen und gleichzeitig die Ausbreitung von Wärme zu hemmen.
Der Schaum wird direkt zwischen die Batteriezellen gegeben, dort verhindert er, dass eine in Brand geratene Zelle die Nachbarzellen entzündet. Auf diese Weise kann eine Überhitzung der Batterie (Thermal Runaway) gar nicht erst entstehen. Das gilt natürlich umso mehr für damit verbundene weitere Reaktionen (Thermische Propagation) wie Entzündungen oder Explosionen. EV Protect 4006 SFR E minimiert zugleich die Gewichtsbelastung von Batteriemodulen, absorbiert äußere Umwelteinflüsse und reduziert Stöße, Lärm und Vibrationen. Fahrzeuge und Geräte, die mit EV Protect 4006 SFR E ausgestattet sind, bieten ihren Insassen bzw. Nutzern absolute Sicherheit.
Klebstoff-Konzepte für Batteriekonstrukteure
Batterien werden auch als Energiespeichersysteme (Energy Storage Systems) genutzt und für viele andere Geräte benötigt – unter anderem für Displays, E-Bikes, E-Motorräder, Kameramodule, Rasenmäher, Sensoren, Smart Surfaces, Staubsaugerroboter und Küchenmaschinen. Für die Konstruktion der Batterien bietet H.B. Fuller viele weitere Kleb- und Dichtstoffe. Unter der Reihe EV Bond, EV Seal, EV Therm und EV Protect sind alle Hochleistungsprodukte gebündelt, die bereits erfolgreich in der Batteriefertigung zum Einsatz kommen. So sind unter dem Begriff Bonding (Kleben) alle Kleb- und Dichtstoffe zusammengefasst, die für diverse Anwendungen beim Montieren von Batteriemodulen und Batteriepacks in Frage kommen. In die Bonding-Reihe fällt beispielsweise der hochfeste und elastische 2-K PUR-Klebstoff EV Bond 300.
Mit ihm lassen sich „cell-to-module“-Konzepte ebenso hervorragend befestigen wie MICA- oder EMI Folien. Unter den Bereich Protection (Schutz) fallen alle Produkte, die die Sicherheit von Batterien erhöhen. Sie vergießen, verkapseln, beschichten das Batteriegehäuse crashfest, schützen es zu 100 Prozent vor Feuchtigkeit oder verhindern das Ausbreiten eines Brandes wie der oben erwähnte Batterieschaum EV Protect 4006 SFR E. Im Bereich Sealing (Abdichten) geht es um flüssige Dichtmassen, Abdichtungen, Flanschdichtungen sowie Form-in-Place-Dichtungslösungen (FIP).
Speziell für das Abdichten von Batterien hat H.B. Fuller den EV Seal 200 entwickelt. Eine wiederablösbare Dichtung ist der 1-K Hotmelt EV Seal 500. Ein Thermisch leitfähiger Klebstoff ist der MMA Strukturklebstoff EV Therm 420, der unter den Bereich Thermal Management (Wärmemanagement) fällt und die Wärme von Batterien wegtreibt. Insbesondere beim Cold-Plate-Bonden, wo Batteriezellen auf eine Kühlplatte geklebt werden, bietet dieser Klebstoff eine hohe Durchschlagsfestigkeit.
Die volle Leistung ohne Kurzschlüsse
Mit seinen Klebstoffen schützt und sichert H.B. Fuller Batterien im Hochvoltbereich vor mechanischer Beschädigung, Überhitzung, Kurzschluss und Akku-Brand. Letzteres sollte unbedingt vermieden werden, da Lithium-Ionen-Batterien im Brandfall eine hohe Thermische Energie freisetzen und toxische Rauchgase entwickeln. Die Schlagfestigkeit und der Thermische Runaway-Schutz von Kleb- und Dichtstoffen ist daher ein entscheidender Sicherheitsfaktor in der Batterie-Konstruktion. Aber auch die komplexe Geometrie der Zellen erfordert multifunktionale Hochleistungsprodukte, die für ausreichend Stabilität und Langlebigkeit sorgen. Um Klebstoffe in Produktionsprozessen in einer möglichst kurzen Zykluszeit auftragen zu können, müssen Dosierleistung und Geschwindigkeit so verknüpft sein, dass ein gleichmäßiger Klebstoffauftrag möglich ist.
All das gewährleisten die Kleb- und Dichtstoffe von Ruderer in Zusammenarbeit mit H.B. Fuller. Sie lassen sich automatisch dosieren und verbessern mit ihrer geplanten Aushärtung jeden Produktionsprozess. Ob beim Abdichten und Kleben modularer Batteriekonzepte oder ganzer Batteriepacks – die maßgeschneiderten Speziallösungen von Ruderer sind regelrechte Senkrechtstarter, die Kontaminationen und mögliche Fehlfunktionen einer Batterie dauerhaft unterbinden und deren Sicherheit langfristig maximieren.
