Temperaturbeständige Kunststoffe für Elektroautos

Elektroautos mit Lithium-Ionen-Akkus bieten alltagstaugliche Reichweiten und benötigen ein hohes Maß an Sicherheit. Um dies zu gewährleisten werden verschiedene Maßnahmen ergriffen, um das thermische Durchgehen der Batterie zu verhindern oder zu verzögern. Kunststoffbauteile in dieser Anwendung haben bislang die strengen Testnormen der Automobilindustrie für elektrische Antriebe in der Regel nicht erfüllt. Die neue Materialklasse von Freudenberg Sealing Technologies (FTS) kann sehr hohen Temperaturen widerstehen. Sie schmilzt und entflammt nicht. In Labortests übersteht eine 2 mm dicke Materialprobe sogar über 25 Min. lang eine aufgebrachte Flamme mit einer Temperatur von 1.200 °C.

Weitere Tests simulieren den Ausstoß heißer Partikel unter hohem Druck, wie er auftreten kann, wenn sich die Gase in Batteriezellen schlagartig entladen. Quantix Ultra widersteht dem Stresstest 20 s. Eine 2 mm dicke Aluminiumprobe ist bereits nach 2 bis 3 s zerstört.

Aus dem Material fertigt das Weinheimer Unternehmen beispielsweise Flammschutzbarrieren für den Einsatz im Kühlsystem von Lithium-Ionen-Batterien. Ein erster Autohersteller setzt diese ab Februar 2024 in Serienfahrzeugen ein.

Der Werkstoff eignet sich für sämtliche Anwendungen mit hohen Anforderungen an Brandschutz und Leichtbau. Auch ist die Anwendung nicht auf bestimmte geometrische Formen beschränkt. Für batterieelektrische Antriebe lässt sich das Material beispielsweise zu Folien verarbeiten. Weitere Anwendungen sind Einhausungen für Stromverteiler, medienführende Leitungen, Kabelisolation, Batterie-Gehäusedeckel oder Bauteile für Elektromotoren.

Temperaturbeständigkeit ist für technische Kunststoffe ein Differenzierungsmerkmal. Dies gilt sowohl für amorphe wie für teilkristalline Werkstoffe. Allen derzeit eingesetzten Polymeren ist jedoch eins gemeinsam: Die Steifigkeit lässt nach Erreichen des Glasübergangspunkts spürbar nach und bricht mit dem Überschreiten des Schmelzpunkts schlagartig ein. Ein Flammschutz ist dann nicht mehr gegeben.

„Das neue Material schmilzt nicht bei hohen Temperaturen und weist stattdessen ein elastisches Verhalten auf, das mit Elastomeren vergleichbar ist“, erläutert Kira Truxius, Material Expert Thermoplastics bei Freudenberg Sealing Technologies. „Zudem hat es eine um 53 Kelvin höhere Glasübergangstemperatur und erhält somit seine Steifigkeit und den Flammschutz über einen erheblich längeren Zeitraum.“

Das Grundmaterial von Quantix Ultra ist ein bereits temperaturfester Thermoplast. Die gezielte Zugabe von Füllstoffen wie Glas- oder Kohlenstofffasern verstärkt die mechanische Stabilität selbst unter enormer Hitze. Eine zusätzliche Vernetzung der Kunststoff-Molekülketten sorgt dafür, dass das Bauteil auch unter Extrembedingungen in Form bleibt. Materialeigenschaften lassen sich fokussiert auf den jeweiligen Anwendungsfall einstellen.

Der Hochleistungskunststoff lässt sich einfach per Spritzguss verarbeiten. Die damit verbundenen Vorteile wie etwa das Fertigen komplexer Geometrien bei kurzen Zykluszeiten und damit in großen Stückzahlen teilt es mit anderen Thermoplasten. Zur wirtschaftlichen Fertigung trägt auch das patentierte Vernetzungsverfahren bei. Es basiert allein auf dem Einbringen eines speziellen Vernetzers ins Material unter Beibehaltung des Standard-Spritzgussprozesses.

Quelle: Freudenberg Sealing Technologies