Im stark expandierenden Markt der Elektrofahrzeuge gehört eine verbesserte Batterie-Performance mit kürzeren Ladezeiten, höchster Temperaturbeständigkeit und einer längeren Batterielebensdauer zum Erfolgsfaktor. Hierfür benötigen die OEM in Europa und den USA Werkstoffe, mit denen auch schärfere nationale und internationale Umweltauflagen eingehalten werden.

Ein leistungsfähiges Material für solche Anwendungen kommt aus der Stoffgruppe der Elastomere. Freudenberg Sealing Technologies ist es gelungen, einen Werkstoff zu entwickeln, der gegenüber Thermoplasten relevante Vorteile im Fall eines Thermal Runaway bietet und mit dem die Batterieanwendungen in der E-Mobilität ein neues Niveau erreichen.

Elastomer-Dichtung statt Thermoplaste

Bei den traditionell für Batteriedichtungen eingesetzten Thermoplasten ist die langkettige Molekülstruktur der Makromoleküle untereinander nicht chemisch vernetzt. Stattdessen sind sie nur über schwache zwischenmolekulare Kräfte miteinander verbunden. Zwar lassen sich Thermoplaste ein Stück weit elastisch verformen, jedoch erfahren sie beim kontinuierlichen Laden und Entladen der Batteriezelle auch einen funktionsrelevanten Anteil an plastischer Verformung.

Anders die Elastomere, deren Molekülketten chemisch miteinander vernetzt sind. Im Grundzustand liegen die Polymerketten in einem Knäuel vor, das bei Zug- und Druckbelastungen gezogen oder gestaucht wird. Aufgrund der Entropieelastizität reagieren diese vernetzten Werkstoffe elastisch-reversibel und halten während der zyklischen Volumenänderung der Batteriezellen unter Last herausragend ihre Form.

 „Unsere O-Ringe aus dem neuen Elastomer verhindern somit, dass Elektrolyt aus der Batteriezelle austritt oder Verunreinigungen in die Zelle eintreten“, erklärt David Kuhne, Application Engineer bei Freudenberg Sealing Technologies. „Eine Batteriezelle darf man sich nicht als steifes Konstrukt vorstellen – sie „atmet“. Wenn die Batteriezelle einen Temperaturanstieg von der Umgebungstemperatur auf Bereiche von – in der Regel – bis zu 60°C durchläuft, dehnt sie sich aus und zieht sich beim Abkühlen gleichermaßen zusammen. Elastomere zeigen bei dieser Dauerbelastung wesentliche Vorteile gegenüber Thermoplasten.“, veranschaulicht er den Lade- und Entladeprozess.

Weniger Kapazitätsverlust für Elektrofahrzeuge 

Bei der Entwicklung neuer Werkstoffe für Batterieanwendungen steht neben ökonomischen Aspekten die Nachhaltigkeit im Fokus. Grundsätzlich werden elektrische Fahrzeuge umso nachhaltiger, je länger die Batterie zum Einsatz kommt.

Hierzu leistet das neue Dichtungsmaterial von Freudenberg Sealing Technologies einen Beitrag. So konnte beim Einsatz des neuen Werkstoffes in Kundenprojekten die Performance-relevante Leckage-Rate der Batteriezellen um eine Größenordnung verbessert werden, also um das Zehnfache gegenüber konventionellen Thermoplast-Dichtungen. Ein weiterer essenzieller Aspekt ist, dass die Elektrochemie der Batteriezellen äußerst empfindlich auf potenzielle Verunreinigungen reagiert.

Dr. Stefan Schneider, Leiter der Materialentwicklung beim Lead Center O-Ringe, führt aus: „Ein verfrühter Kapazitätsverlust, der bei einer mit herkömmlichen Elastomeren gedichteten Zelle beobachtet wird, kann aus den minimalen, aber dennoch vorhandenen Verunreinigungen des Dichtungsmaterials resultieren. Einen ähnlichen Effekt hat ein Feuchtigkeitseintrag in die Zelle, da er eine Zersetzung von Elektrolytkomponenten herbeiführen kann. Diese Aspekte wurden in der Entwicklung des neuen Werkstoffes berücksichtigt.“

Darüber hinaus hat die Verfahrenstechnik die Herstellungsprozesse derart optimiert, dass man die hochleistungsfähigen Batterie-Zell-Dichtungen in Großserie produzieren kann.