Pulverbeschichtung vs. Lackierung: Ein umfassender Vergleich
Eine der besten Methoden, um Blech vor Witterungseinflüssen zu schützen, ist das Beschichten mit Farbe oder Pulverlack. So sehr wir…
Therisches Durchgehen stellt ein kritisches Problem in der Elektronik dar, insbesondere in der Batterietechnologie, bei der Überhitzung zu katastrophalen Ausfällen führen kann. In Lithium-Ionen-Batterien tritt dieses Phänomen auf, wenn die Zelle in einen unkontrollierbaren, sich selbst erhitzenden Zustand ger.
Um dieser Herausforderung zu begegnen, konzentrieren sich Forscher und Unternehmen auf fortschrittliche Materialien wie Harze und Metalle, die die Auswirkungen des thermischen Durchgehens mindern können.
Thermisches Durchgehen ist ein schneller Selbstheizungsprozess in einer Zelle, der durch exotherme Reaktionen innerhalb der Materialien ausgelöst wird und zur Freisetzung gespeicherter chemischer Energie führt. Während mechanische Verformungen, Überladung oder Kurzschlüsse diesen Zustand hervorrufen können, ist Überhitzung die Hauptursache des thermischen Durchgehens.
Überhitzung entsteht durch Ausfall des Kühlsystems, hohe Umgebungstemperaturen oder übermäßige Joule-Erwärmung infolge altersbedingter Erhöhung des Innenwiderstands. Lithium-Ionenatterien sind besonders anfällig für thermisches Durchgehen.
In diesen Batterien zersetzt sich die Festelektrolyt-Grenzschicht bei etwa 80 °C in einer exothermen Reaktion. Steigt die Temperatur auf 120–130 °C,milzt der Separator, was zu internen Kurzschlüssen und weiterer Hitzeentwicklung führt. Bei 130–150 °C zersetzt sich die Kathode durch eine weitere exotherme Reaktion mit dem Elektrolyten und setzt zusätzlich Sauerstoff frei.
Ab 150–180 °C kann die Sauerstofffreisetzung einen sich selbst erhaltenden Brand verursachen, was in thermischem Durchgehen resultiert. Dieser Prozess kann Rauch, Feuer, Explosionen sowie die Freisetzung von Gasen, Partikeln und Splittern verursachen.1,3 Daher untersuchen aktuelle Studien Präventionsstrategien, darunter den Einsatz von Harzen und Metallen, um die Sicherheit und Zuverlässigkeit batteriebetriebener Geräte zu erhöhen.
Harze sind für ihre ausgezeichneten Isoliereigenschaften bekannt, wodurch sie effektiv die Wärmeübertragung verhindern und empfindliche Komponenten in elektronischen Geräten und Batterien schützen. Viele Harze, wie Epoxidharz, weisen eine hohe Hitzebeständigkeit auf, sodass sie ihre strukturelle Integrität auch bei erhöhten Temperaturen bewahren – Epoxidharze halten Temperaturen von bis zu 150–200 °C stand.
Sie werden als Beschichtungen oder zur Verkapselung eingesetzt, um Elektronik vor thermischen Schäden zu schützen. Ihre Resistenz gegen thermische Zersetzung prädestiniert Harze für das Wärmemanagement in kritischen Anwendungen. Zudem können bestimmte Harze so entwickelt werden, dass sie sich unter Hitzeeinwirkung nur minimal ausdehnen oder zersetzen, was ihre Langlebigkeit in Hochtemperaturumgebungen erhöht.
Beispielsweise hat SABIC das Stamax 30YH570 entwickelt, ein mit 30 % Glasfaser verstärktes Copolymer, das speziell für den Schutz vor thermischem Durchgehen in Elektrofahrzeugbatterien ausgelegt ist. Bei Tests gemäß UL 2596 widerstand dieses Harz internen Temperaturen von 420 °C.
Ähnlich bietet Polyplastics Co. Ltd. Durafide Polyphenylensulfid (PPS) 6150T73 an, ein Material mit außergewöhnlicher Hitzebeständigkeit und hoher elektrischer sowie thermischer Isolierung, das das thermische Durchgehen in Lithium-Ionen-Batterien von Elektrofahrzeugen verhindern soll. Das Harz behält selbst nach 30-minütiger Einwirkung von Temperaturen bis zu 1.000 °C (1.832 °F) seine Isolationseigenschaften.
Unternehmen wie Amco Polymers entwickeln fortschrittliche Harzformulierungen zur Verbesserung der Feuerbeständigkeit und thermischen Stabilität. Die Produkte von Amco Polymers, darunter Flüssigkristallpolymere, Polyphenylensulfid und Polysulfon/Polyethersulfon, bieten herausragende Hitzebeständigkeit, eine hohe Wärmeformbeständigkeitstemperatur von 260–270 °C, gute thermische Stabilität und einen sehr niedrigen Ausdehnungskoeffizienten.
Ein wesentlicher Nachteil von Harzen ist ihre Anfälligkeit für Degradation bei hohen Temperaturen, was ihre Effektivität in kritischen Anwendungen einschränkt. Zur Lösung dieses Problems werden hitzebeständige Harze mit verbesserter thermischer Stabilität entwickelt.
Metalle werden aufgrund ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit häufig zum Wärmemanagement eingesetzt, da sie eine effiziente Wärmeübertragung und -ableitung von empfindlichen Komponenten ermöglichen. Diese Eigenschaft macht Metalle wie Aluminium, Kupfer und verschiedene Legierungen ideal, um Hitzeansammlungen, Hotspots und das Risiko des thermischen Durchgehens in Batterien und elektronischen Geräten zu verhindern.
Die schnelle Wärmeableitung von Metallen trägt zur Stabilisierung der Betriebsbedingungen bei und erhöht die Lebensdauer und Sicherheit elektronischer Geräte. Verschiedene Metalllegierungen bieten je nach Anwendung unterschiedliche Wärmeleistung.
Ein Beispiel hierfür ist eine im Fachjournal Crystals veröffentlichte Studie zur Herstellung leistungsfähiger hypereutektischer Aluminium-Silizium (Al-Si)-Legierungen mittels Pulvermetallurgie.
Das Al-Si-System kombiniert einen günstigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) mit hoher Wärmeleitfähigkeit und ist damit besonders geeignet für Branchen, in denen Wärmemanagement Priorität hat, etwa die Elektronik- und Elektrofahrzeugindustrie.11 Diese Legierungen sind speziell für strukturelle Wärmeableiter unter thermischer Zyklierung sowie für reflektierende Optiken und Instrumentenbau geeignet, die mechanische und thermische Stabilität erfordern.
Obwohl Metalle für das Wärmemanagement effektiv sind, bringen sie Herausforderungen wie Korrosion und thermische Ausdehnung mit sich. Korrosion kann Metalloberflächen mit der Zeit schädigen und damit die Wärmeableitung beeinträchtigen.
Zudem kann temperaturbedingte Ausdehnung und Kontraktion zu strukturellen Spannungen führen. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, werden Strategien entwickelt, die die Haltbarkeit und Zuverlässigkeit von Metallen im Wärmemanagement verbessern.
Ein Vergleich zwischen Harzen und Metallen verdeutlicht deren spezifische Vorteile beim Wärmemanagement und zur Verhinderung des thermischen Durchgehens. Aspekte wie Temperaturbeständigkeit, Gewicht und Verarbeitungsfreundlichkeit sind entscheidend für die Materialauswahl je nach Anwendung.
Organische Carbonatsolvente sind die brennbarsten Bestandteile von Elektrolyten. Die Zugabe von Flammschutzmitteln zu organischen Elektrolyten kann dieses Risiko mindern. Beispielsweise kann eine Poly(vinylidenfluorid-hexafluorpropylen) (PVDF-HFP)-Hülle mit einem Triphenylphosphat (TPP)-Kern zur Erhöhung der Sicherheit eingesetzt werden.
Steigt die Batterietemperatur zu stark an, schmilzt die PVDF-HFP-Hülle und gibt den TPP-Kern frei, der sich mit dem Elektrolyten vermischt und eine Verbrennung verhindert. Feste, nicht brennbare Elektrolyte mit minimaler Leckage und langer Lebensdauer erhöhen die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien gegenüber flüssigen Elektrolyten zusätzlich.
Poly(methylmethacrylat) (PMMA) und PVDF-HFP könnten als feste Elektrolyte in Batterien dienen. Ebenso kann Ti3C2Tz MXene mit maßgeschneiderter Oberflächenendgruppe die Batteriesicherheit verbessern, indem es Anoden mit höherer Kapazität und niedrigerem Arbeitsbereich unterstützt – ein vielversprechendes Material für fortschrittliche Energiespeicher-Anwendungen.
Eine in Cell Reports Physical Science veröffentlichte Studie untersuchte einen metallbeschichteten Polymerstromsammler, der interne Kurzschlüsse durch Rückzug aus der Heizregion unterbricht. Der Stromsammler wurde in 18650-Zellen getestet und zeigte ein reduziertes Risiko für thermisches Durchgehen bei Nageldurchdringung sowie geringere Herstellkosten und -masse.
Insbesondere zeigten Zellen mit aluminium-beschichteten Polymerstromsammlern eine Erfolgsrate von 100 % bei der Verhinderung des thermischen Durchgehens bei Nageltests und behielten mehr als 4 V Zellenspannung, während Standardzellen mit Aluminium-Stromsammlern regelmäßig thermisch durchgingen.
Harze eignen sich besonders für Anwendungen, die hohe thermische Stabilität und Korrosionsbeständigkeit erfordern, während Metalle in Einsatzbereichen mit hoher Wärmeleitfähigkeit und effizienter Wärmeableitung punkten.
In gewichtssensitiven Anwendungen wie Elektrofahrzeugen bieten Harze Vorteile aufgrund ihres geringeren Gewichts im Vergleich zu Metallen wie Aluminium. Hinzu kommt, dass Harze meist einfacher zu verarbeiten sind, während Metalle oft aufwändigere Fertigungsmethoden benötigen.
Die Wahl zwischen Harzen und Metallen zur Verhinderung des thermischen Durchgehens hängt von spezifischen Anforderungen wie Wärmeleitfähigkeit, Gewicht und Verarbeitungsfreundlichkeit ab. Harze sind ideal für leichte, korrosionsbeständige Anwendungen, während Metalle für hohe Wärmeleitfähigkeit und effektive Wärmeableitung bevorzugt werden.
In vielen Fällen bieten hybride Lösungen, die die Vorteile beider Materialien vereinen, den wirkungsvollsten Ansatz. Sie erhöhen die Sicherheit und Leistung, indem sie die jeweiligen Stärken beider Werkstoffe optimal nutzen.
