Potenzielle Anwendungen der Compounds im Bereich der Batterie von Elektrofahrzeugen. (Bildquelle: Lanxess)

Potenzielle Anwendungen der Compounds im Bereich der Batterie von Elektrofahrzeugen. (Bildquelle: Lanxess)

Technische Thermoplaste ermöglichen es, in Batterien komplexe und häufig sehr unterschiedliche Anforderungen zu erfüllen. Je nach Batterieanwendung müssen sich die Thermoplaste elektromagnetisch abschirmend verhalten, wärmeleitfähig oder hitzebeständig sein, gute mechanische sowie elektrische Eigenschaften wie hohe Kriechstrom- oder Durchschlagfestigkeiten besitzen. Außerdem dürfen sie bei stromleitenden Bauteilen möglichst keine Elektrokorrosion auslösen. Herausfordernd dabei ist, dass ein Material meist mehrere dieser Eigenschaften in sich vereinen muss.

Ein besonderer Fokus liegt aus Sicherheitsgründen auf einer hohen Flammwidrigkeit der Thermoplaste für Hochvoltbatterien. Zwar sind die Normen und Prüfungen hierfür weltweit noch im Fluss, doch wird meistens eine V-0-Klassifizierung im Flammschutztest UL94 des US-amerikanischen Prüfinstituts Underwriters Laboratories (UL) vorausgesetzt. Diese lässt sich sowohl mit halogenhaltigen als auch mit halogenfreien Flammschutzmitteln erreichen. Weit verbreitet ist roter Phosphor. Er neigt allerdings in feuchtwarmer Umgebung zu Korrosion und erfordert größeren Aufwand in puncto Arbeitshygiene. Außerdem ist er nicht hell einfärbbar. Lanxess, Köln, setzt deshalb im Bereich der halogenfreien Flammschutzsysteme auf Additive, die auf organischem Phosphor basieren. Sie sind weniger korrosiv und ermöglichen ein breiteres Farbspektrum – bei gleicher Flammschutzwirkung.

Halogenfreier und -haltiger Flammschutz im Vergleich

Zu den Vorteilen halogenhaltiger Flammschutzmittel zählt, dass sie für hohe Glühdrahtfestigkeiten (GWIT, Glow Wire Ignition Temperature) des Thermoplasten sorgen. Sie beeinflussen dessen mechanische Eigenschaften kaum und sind so thermostabil, dass der Kunststoff in einem breiten Fenster verarbeitbar ist. Außerdem sind sie beständig gegen Wasser-Glykol-Gemische, die auch in Hochvoltbatterien als Kühlmittel eingesetzt werden. Nachteilig wirkt sich aus, dass sie höhere Dichten und ein negatives Image unter anderem in puncto Ökologie haben.

Die Vorzüge halogenfreier Flammschutzpakete sind, dass mit ihnen bessere elektrische Eigenschaften wie hohe Kriechstromfestigkeiten erreichbar sind und die Bauteile kontrastreicher mit Lasern markiert und beschriftet werden können. Ferner neigen die mit ihnen additivierten Kunststoffe weniger dazu, sich unter Wärme- und Lichteinfluss zu verfärben. Die Kunststoffe sind hell einfärbbar, was zum Kennzeichnen von Bauteilen genutzt wird. Diese Additivtype übte in der Vergangenheit einen eher negativen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften und das Verarbeitungsfenster der Werkstoffe aus. Dies trifft, aufgrund der kontinuierlichen Entwicklungsarbeit, nicht mehr auf Polyamid 6 und 66 sowie Polybutylenterephthalat (PBT) zu.

E-Powertrain-Team gegründet

Der Geschäftsbereich High Performance Materials (HPM) von Lanxess arbeitet intensiv an Materialien, die eine wirtschaftliche Großserienfertigung von Bauteilen unter anderem für Batterien und weitere Komponenten des elektrischen Antriebsstrangs von Fahrzeugen ermöglichen. Vor kurzem wurde das E-Powertrain-Team gegründet, das industrielle Partner über die komplette Entwicklungskette dieser Bauteile unterstützt.

Alternative zu Druckgussmetallen

HPM hat den Entwicklungsfokus bei flammwidrigen Thermoplasten für die Batterie in erster Linie auf halogenfrei flammgeschützte Materialsysteme gelegt. Die allermeisten dieser Compounds erfüllen den UL94-Test mit V-0-Klassifizierung und haben hohe Kriechstromfestigkeiten von 600 V (CTI A, Comparative Tracking Index, IEC 60112). Ein Materialbeispiel ist das mechanisch stark beanspruchbare, mit 45 Prozent Glasfasern verstärkte Durethan BKV45FN04. Durch seine hohe Steifigkeit und Festigkeit ist es prädestiniert für Batteriestrukturbauteile wie Zellrahmen und Endplatten, aber auch für Gehäuse von Steuergeräten. Das leichtfließende, gut zu verarbeitende Polyamid 6 ist in vielen Batterieanwendungen eine Alternative zum traditionell eingesetzten Metalldruckguss sowie für Träger von Elektromodulen. In Anwendungen, in denen die Anforderungen an die Steifigkeit und Festigkeit geringer sind, können Materialgeschwister mit geringerem Glasfasergehalt, aber ansonsten vergleichbarem Eigenschaftsprofil zum Einsatz kommen – wie Durethan BKV30FN04, das mit 30 Prozent Glasfasern verstärkt ist.

Orangefarbige Werkstoffe für Hochvoltbauteile

Mechanisch hochbelastbarer Batteriehochvoltstecker aus orange eingefärbtem Polyamid. (Bildquelle: Lanxess)

Mechanisch hochbelastbarer Batteriehochvoltstecker aus orange eingefärbtem Polyamid. (Bildquelle: Lanxess)

Stromführende, mit Kunststoff ummantelte Komponenten, die unter höheren Spannungen stehen, werden zunehmend durch die Farbe Orange gekennzeichnet. Der Werkstoffhersteller hat daher eine breite Palette an orange eingefärbten Polyamid- und PBT-Compounds entwickelt, die auch unter Wärmebelastung dauerhaft farbstabil sind. Die Produkte werden nach RAL 2003 (Lanxess-Farbcode 200849) eingefärbt. Die Entwicklung einer weiteren Farbvariante steht kurz vor Abschluss. Die Compounds werden mit Yellow Card-Listung angeboten. Dies erspart dem Verarbeiter das Einfärben und die aufwändige UL-Zertifizierung. So gibt es beispielsweise den bereits erwähnten Durethan Hochmodulwerkstoff orange einfärbt. Für Hochvoltstromschienen (Busbars) wurden ebenfalls orange eingefärbte Materialien entwickelt. Das unverstärkte Durethan B30SFN30 bringt neben einer hohen Flammwidrigkeit und Kriechstromfestigkeit eine hohe Zähigkeit mit und ist gut zu verarbeiten. Durethan BKV20FN01 hat ähnliche Eigenschaften, wird aber mit einem Glasfaseranteil von 20 Prozent höheren Ansprüchen an die mechanische Belastbarkeit der Schienen gerecht. Aus diesem Polyamid 6-Compound wird auch ein Elektronikhalter für die Elektroversion eines deutschen Mittelklassewagens gefertigt.

Halogenfrei flammgeschützt und gut zu verarbeiten

Der Zellhalter ist dank eines flammgeschützten PBT+ASA-Blends besonders dimensionsstabil und erfüllt strenge Anforderungen hinsichtlich chemischer Resistenz, Wärmestabilität und Schlagzähigkeit. (Bildquelle: Lanxess)

Der Zellhalter ist dank eines flammgeschützten PBT+ASA-Blends besonders dimensionsstabil und erfüllt strenge Anforderungen hinsichtlich chemischer Resistenz, Wärmestabilität und Schlagzähigkeit. (Bildquelle: Lanxess)

Ein Beispiel dafür, dass halogenfrei flammgeschützte PBT-Compounds den Vergleich mit ihren halogenhaltigen Pendants nicht zu scheuen brauchen, ist die Pocan BFN-Reihe. Die Materialien sind unverstärkt sowie mit Glasfasergehalten von 13, 20 und 25 Prozent erhältlich und ähnlich gut zu verarbeiten. Neben hohen Flammwidrigkeiten und Kriechstromfestigkeiten zeichnen sie sich durch eine hohe UV-Stabilität aus, lösen bei Kontakt mit stromführenden Bauteilen kaum Korrosion aus und sind thermisch dauerbeständig. So wurden ihre relativen Temperaturindices nach UL 746B mit mindestens 140 °C bestimmt. Eine Besonderheit ist dabei das unverstärkte Pocan BFN2502. Mit seiner hohen Reißdehnung von über sieben Prozent eignet es sich besonders für Batteriekomponenten, die zugleich dimensionsstabil und dauerhaft elektrisch isolierend sein müssen – wie etwa filigrane und dünnwandige Stecker.

Flammwidrig und zugleich schwindungs- und verzugsarm

Präzisionsbauteile für Fahrzeugbatteriesysteme müssen oft sehr dimensionsstabil sein. Hier kann Pocan AF4110, AF4120 und AF 4130 eingesetzt werden, das mit 12, 20 und 30 Prozent Glasfasern gefüllt ist. Die Blends aus PBT und Acrylester-Styrol-Acrylnitril (ASA) sind schwindungs- und verzugsarm sowie farbstabil. Für ihre Flammwidrigkeit (UL 94 V-0) sorgt in diesem Fall ein halogenhaltiges Additivsystem. Aus Pocan AF4130, das mit seiner hohen chemischen Beständigkeit die Liefervorschrift LV 124 erfüllt, werden bereits sehr flache Gehäuse für ein Batteriemanagementsystem und Zellenüberwachungseinheiten hergestellt. Alle drei Werkstoffe eignen sich außerdem gut für Batteriezellhalter und -steckverbinder.

Batteriewärme managen

Die richtige Betriebstemperatur ist für die Lebensdauer und Leistung der Batterie von Elektrofahrzeugen essentiell. Ein Augenmerk liegt daher auf dem Wärmemanagement in der Batterie. Für entsprechende Kunststoffteile wurde Durethan BTC965FM30 entwickelt. Das halogenfrei flammgeschützte Compound besitzt hohe Flammwidrigkeit und Kriechstromfestigkeit sowie gute Wärmeleitfähigkeit. Letztere liegt in Fließrichtung der Schmelze bei 2,5 W/m∙K.

Service für Batterieentwickler

Zu den normkonformen Flammschutzprüfungen, mit denen Entwicklungspartner im Rahmen von HiAnt unterstützt werden, zählen auch UL-Tests zur vertikalen Flammausbreitung. (Bildquelle: Lanxess)

Zu den normkonformen Flammschutzprüfungen, mit denen Entwicklungspartner im Rahmen von Hi-Ant unterstützt werden, zählen auch UL-Tests zur vertikalen Flammausbreitung. (Bildquelle: Lanxess)

Das Unternehmen unterstützt Anwender auch über die gesamte Entwicklungskette von Batteriebauteilen mit den Serviceleistungen Hi-Ant. Dazu zählen beispielsweise normkonforme Flammschutzprüfungen und Versuche zum Korrosionsverhalten von Flammschutzadditiven bei Kontakt mit Metallen. Mit Füllsimulationen wird die lokale Orientierung von Füllstoffen bestimmt, um bei Einsatz anisotrop wärmeleitender Materialien die richtungsabhängige Wärmeleitung im Bauteil berechnen zu können. Weiterhin ist ein Simulationstool zur kunststoffgerechten Auslegung wärmeabführender Bauteile vorhanden, das die Teilegeometrie, die Einbausituation, den Wärmeeintrag und die Luftkonvektion im Umkreis des Bauteils berücksichtigt.

 

Über die Autoren

Julian Haspel

ist Leiter des E-Powertrain-Teams im Geschäftsbereich High Performance Materials bei Lanxess Deutschland in Köln.

Christopher Höfs

ist Projektmanager im E-Powertrain-Team im Geschäftsbereich High Performance Materials bei Lanxess Deutschland in Köln.

Sarah Luers

ist Projektmanagerin in der globalen Anwendungsentwicklung für Elektrik- und Elektronikbauteile des Geschäftsbereichs High Performance Materials bei Lanxess Deutschland in Köln.