Einschäumen von zylindrischen Batteriezellen

Die grundlegende Aufgabe einer Batterie ist es, möglichst viel Energie in einen möglichst kleinen Raum zu speichern. Das klingt einfach, ist aber mit zunehmender Leistungsdichte eine steitig wachsende neue Herausforderung. Je größer die Energierdichte einer Batterie ist, desto mehr Wärme wird auf kleinerem Raum erzeugt.Bei einem Defekt kann dies kritisch sein.

Bei der Entwicklung und Herstellung eines Hochleistungs-Batteriemoduls, das unter sämtlichen Randbedingungen fehlerfrei bleibt, ist eine sorgfältige Abschätzung aller möglichen thermischer Belastungen erforderlich. Zusätzlich zu einem guten Wärmemanagement setzen die Batterieentwickler auf Schäume in den  Zwischenräumen, um noch mehr Schutz zu bieten.

Um diese Herausforderung bei der Modulmontage zu bewältigen, werden Zweikomponentenmaterialien wie Silikon, Silikonschaum, Epoxid, Epoxidschaum und Polyurethanschaum gemischt und in die Hohlräume des Modul apliziert , um die Hohlräume zwischen den einzelnen Zellen zu füllen. Das Einschäumen von Batterien mit diesen Spezialmaterialien reduziert die thermische Ausbreitung, mechanische Stöße und Vibrationen unter normalen Einsatzbedingungen. Diese Verbesserungen sorgen für mehr Sicherheit, höhere mechanische Stabilität und eine verbesserte Lebensleistung der Batterie.

Wenn z.B. eine Zelle schnell altert oder Teile der Batterie durch einen Gegenstand auf der Straße beschädigt werden, besteht erhöhtes Risko für das Wärmemanagement. Auch das Moduldesign beeinflusst dies. Je näher die Zellen beieinander liegen, desto wahrscheinlicher ist es, dass die thermische Überlast schnell von Zelle zu Zelle übergreift. Thermische Ereignisse dieser Art können gefährliche, gar lebensbedrohliche Folgen haben und stellt somit eine kritische Situation für den Fahrer und die Passagiere eines Elektrofahrzeugs dar.

Während des regulären Betriebs eines Elektrofahrzeugs ist das Batteriemodul rauen Straßen- und Umweltbedingungen, wie externen Stößen und Vibrationen ausgesetzt. Diese verursachen mechanische Belastungen, die die Wahrscheinlichkeit einer Verformung oder Beschädigung von Batteriekomponenten erhöht. Letztlich wirken sich ungebremste Stöße negativ auf die Zuverlässigkeit, Langlebigkeit und Sicherheit des Moduls aus.

Lithium-Ionen-Batterien neigen dazu, sich mit der Zeit auszudehnen, hauptsächlich aufgrund von Ausgasungen während der Ladezyklen. Die typische nichtlineare Alterung der einzelnen Zellen kann zu unbeabsichtigten mechanischen Interferenzen zwischen den einzelnen Zellen führen, wodurch die Leistung beeinträchtigt und ein mechanischer Ausfall die Folge sein kein. Wenn sich ein Zylinder ausdehnt, kann er unerwünschten Druck auf benachbarte Zellen ausüben und dies hat letztendlich Auswirkungen auf die Langlebigkeit der Batterie.

Das definierte Einschäumenvon zylindrischen Batteriezellen ist entscheidend, um den oben genannten Herausforderungen zu begegnen, da es die thermische Ausbreitung verhindert und jede Zelle der Batterie mechanisch absichert. Der Materialeintrag kann jedoch eine Reihe zusätzlicher Probleme verursachen. Ein ungenaues Mischverhältnis der Komponenten kann zu einem ungleichmäßigen Schaum führen und somit die Funktionsfähigkeit beeinträchtigen. Die Materialzufuhr kann ebenfalls zu falschem Materialvolumen führen und am Ende das Akku Pack irreperabel zerstören. 

Jedes Lithium-Ionen-Batteriedesign hat einzigartige Merkmale und Anforderungen. Wir bei Graco finden für jedes einzelne Modell die passende Lösung. Wir können die richtigen Durchflussraten und Dosierpunkte bestimmen, um präzise die Materialmenge in das Modul zu dosieren. Wir erreichen eine homogene Materialmischung zum Einschäumen von Batterien mit kontinuierlichem Durchfluss, um den Schaum zuverlässig und reproduzierbar in das Batteriemodul einzubringen und so die Produktionseffizienz zu verbessern.