Neues Dichtungsmaterial für sichere Batteriezellen

Mit einem optimierten Dichtungswerkstoff bietet Freudenberg eine Alternative zu PFAS-haltigen Thermoplast- und FKM-Dichtungen für den Einsatz in der E-Mobilität. Grafik: Freudenberg Sealing Technologies

Mit einem optimierten Dichtungswerkstoff präsentiert Freudenberg eine zukunftsweisende Alternative zu PFAS-haltigen Thermoplast- und FKM-Dichtungen für die Elektromobilität. Die neue Materialreihe, die im Spritzgießverfahren verarbeitet wird, zeigt eine erhöhte Dichtungsleistung, trägt zur Verlängerung der Batterielebensdauer bei und erfüllt die steigenden Anforderungen an Umweltauflagen.

Denn im rasant wachsenden Markt für Elektrofahrzeuge sind eine verbesserte Batterie-Performance, kürzere Ladezeiten, höchste Temperaturbeständigkeit und eine verlängerte Lebensdauer der Batteriezellen entscheidende Erfolgsfaktoren. Dafür benötigen OEMs in Europa und den USA Werkstoffe, die nicht nur leistungsfähig sind, sondern auch strengere nationale und internationale Umweltvorgaben erfüllen. Ein leistungsstarkes Material für diese Anforderungen stammt aus der Stoffgruppe der Elastomere. Freudenberg Sealing Technologies ist es gelungen, einen Werkstoff zu entwickeln, der gegenüber Thermoplasten erhebliche Vorteile im Falle eines Thermal Runaway bietet und der Batterieanwendungen in der E-Mobilität laut Hersteller auf ein neues Leistungsniveau hebt.

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Elastomere statt Thermoplaste – neue Maßstäbe für Batteriedichtungen

Während traditionell für Batteriedichtungen verwendete Thermoplaste lediglich über schwache zwischenmolekulare Kräfte miteinander verbunden sind und damit eine gewisse Elastizität – jedoch auch eine unerwünschte plastische Verformung bei wiederholtem Laden und Entladen zeigen – bieten Elastomere entscheidende Vorteile. Bei Elastomeren sind die langkettigen Molekülstrukturen chemisch vernetzt. Im Ausgangszustand liegen die Polymerketten in einem Knäuel vor, das bei Zug- oder Druckbelastungen flexibel gestreckt oder gestaucht werden kann. Durch ihre Entropieelastizität verhalten sich diese Werkstoffe elastisch-reversibel und bewahren ihre Form auch unter den zyklischen Volumenänderungen einer Batteriezelle über lange Zeiträume hinweg.

„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.

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Werkstoffkompetenz aus Forschung und Großserienfertigung

Bei der Entwicklung neuer Werkstoffe für Batterieanwendungen rücken neben ökonomischen Aspekten zunehmend auch Nachhaltigkeitsaspekte in den Fokus. Elektrofahrzeuge werden umso nachhaltiger, je länger ihre Batterien genutzt werden können. Das neue Dichtungsmaterial von Freudenberg Sealing Technologies leistet hierzu laut Anbieter einen wichtigen Beitrag: In Kundenprojekten sei die performance-relevante Leckage-Rate der Batteriezellen durch den Einsatz des neuen Werkstoffs um eine ganze Größenordnung – also um den Faktor zehn – gegenüber herkömmlichen Thermoplast-Dichtungen verbessert worden.

Ein weiteres wesentliches Kriterium betrifft die hohe Empfindlichkeit der Elektrochemie innerhalb der Batteriezellen gegenüber potenziellen Verunreinigungen. Dr. Stefan Schneider, Leiter der Materialentwicklung beim Lead Center O-Ringe, erläutert: „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.“

Zudem hat Freudenberg nach eigenen Angaben die Verfahrenstechnik so optimiert, dass die hochleistungsfähigen Batterie-Zell-Dichtungen nun in Großserie hergestellt werden können – ein wichtiger Schritt für die wirtschaftliche Umsetzung in industriellem Maßstab.

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Zukunftssichere Lösungen für den steigenden Batteriebedarf

Als einer der führenden Anbieter leistungsstarker Werkstoffe und innovativer Produkte leistet Freudenberg Sealing Technologies einen bedeutenden Beitrag zu einer sicheren und nachhaltigen Elektromobilität – genau zur richtigen Zeit. Laut dem jährlich erscheinenden „Global Electric Vehicle Outlook“ der Internationalen Energieagentur (IEA) soll die weltweite Elektrofahrzeugflotte von weniger als 45 Millionen Fahrzeugen im Jahr 2023 auf 250 Millionen Fahrzeuge bis zum Jahr 2030 anwachsen, um auf dem Pfad zu Netto-Null-Emissionen zu bleiben. Damit einher geht eine massive Steigerung der Nachfrage nach leistungsfähigen Batterien.

Diese Entwicklung sieht Freudenberg Sealing Technologies als Chance: „Als Entwicklungspartner für kundenspezifische Projekte bringen wir eine langjährige Werkstoff- und Innovations-Kompetenz ein. Dank unseren fortschrittlichen Analyse- und vertikal integrierten Fertigungsverfahren können wir sehr agil wettbewerbsfähige Produktionsprozesse entwickeln und umsetzen,“ fasst David Kuhne zusammen.