Elektrofahrzeuge

Eine neue Generation von Gapfillern für die Wärmeableitung von Batterien in E-Autos

© Fraunhofer IFAM
Sogenannte Squeeze-Flow-Tests sind ein Schlüssel zur Charakterisierung der Gapfiller und zur Simulation der Injektionsprozesse.

Die Wärmeabfuhr von Batterien ist essenziell, um sie vor Überhitzung zu schützen. Das betrifft zunehmend auch die Batterien, die in E-Autos und anderen Elektrofahrzeugen eingesetzt werden. Nur mit effektiver Wärmeabfuhr kann eine starke Antriebsleistung und eine lange Lebensdauer der Fahrzeuge gewährleistet werden. Dies wird mit Gapfillern ermöglicht.

Gapfiller oder TIM (Thermal Interface Materials) sind wärmeleitfähige Pasten und Klebstoffe auf Basis eines mit Partikeln hochgefüllten Polymers. Sie stellen einen Wärmeleitpfad zwischen Batteriemodul und Kühlsystem her und sorgen dafür, dass die Abwärme der Batterien schnell in die Umgebung geführt wird. Pastöse Materialien zur Wärmeleitung wurden in der Vergangenheit in kleinsten Mengen in der Mikroelektronik angewendet, um beispielsweise als silberhaltige Wärmeleitpaste elektronische Bauteile und Kühlkörper zu koppeln. Zur Kühlung der in E-Autos eingesetzten Batterien sind jedoch viel größere Mengen an neuartigen Gapfillern notwendig, die neue Anforderungen erfüllen, anders verarbeitet und mit deutlich günstigeren Füllstoffen ausgelegt werden müssen. Daraus ergibt sich ein hoher Innovationsbedarf bei Gapfillern in Materialforschung und Fertigungstechnik.

 

Optimierung bisheriger Gapfiller-Konzepte

Das Fraunhofer IFAM hat das Forschungsprojekt OWES (Optimierte Wärmeableitung aus Energiespeichern für Serien-Elektrofahrzeuge) unter der Leitung der Audi AG forschungsseitig betreut, in dem verschiedene materialwissenschaftliche und fertigungstechnische Lösungen für die Wärmeableitung erarbeitet wurden. Zu den Schwerpunkten des Projekts gehörten:

  • Die Optimierung bisheriger Gapfiller-Konzepte durch verbesserte Füllstoffe,
  • der Einsatz alternativer (kostengünstigerer, leichterer) Füllstoffmaterialien,
  • neuartige innovative Wärmeabführungskonzepte (zum Beispiel Leitfähigkeitsgewebe),
  • die Entwicklung von Prüf- und Simulati­onsmethoden, auf deren Basis Materia­lien hinsichtlich ihrer Eignung für den Einsatz, die Alterung und den Prozess beurteilt werden, und
  • die Etablierung der für die Serienproduk­tion nötigen Verarbeitungs­verfahren für hochgefüllte Pasten und die Entwicklung neuer, innovativer Verfahren wie beispielsweise der Gap­filler-Injektion.

Anforderungen an eine neue Generation von Gapfillern sind gleichzeitig eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit, eine reduzierte Dichte und eine höhere Wirtschaftlichkeit bei passenden mechanischen Charakteristiken und Verarbeitungseigenschaften. Neue Ansätze zur Optimierung der Gap­filler wurden im Projekt »OWES« vor allem durch eine angepasste Auswahl von Füllstoffen und dazu passenden Matrixpolymeren entwickelt und erprobt.

Das Projekt wurde durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert.

 

Squeezeflow-Versuch zur Messung der Verpressbarkeit

Zur Verarbeitung in der Serienproduktion müssen die Fließ­eigenschaften, also die Rheologie der Gapfiller genau auf den Produktionsprozess abgestimmt sein. Das Fraunhofer IFAM hat ein eigenes Verfahren entwickelt, um Kraft und Gegendruck beim Verpressen von Gapfillern zu prognostizieren: den sogenannten Squeezeflow-Versuch. Dies ist unter anderem für die Montage der Batteriezellen relevant, wenn diese in den Gapfiller eingedrückt werden. Beim Einsetzen der Batteriezellen in das mit Gapfiller gefüllte Batteriegefache sind, durch die Druckempfindlichkeit der Zellen, Grenzen gesetzt. Um das Einpressen innerhalb der zur Verfügung stehenden Taktzeit zu realisieren, muss der Gapfiller ein genau abgestimmtes Fließverhalten aufweisen. Die Presskräfte dürfen einerseits nicht zu hoch sein, anderseits darf der Gapfiller nicht zerfließen.

Zum virtuellen Erproben des Verpressens von Gapfillern bei der Montage der Batte­riezellen wurden ge­koppelte Fluid-Struktursimulationen mit hoher Prognosequalität erarbeitet und von der Audi AG eingesetzt. Die Gesamtpalette der am Fraunhofer IFAM erarbeiteten Grundlagen ermöglicht eine schnelle und fortlaufen­de Optimierung von Material und Prozess durch ausgereifte materialwissenschaftli­che und virtuelle Werkzeuge.

 

Angebote für eine umfassende Charakterisierung von Gapfillern

Die Auswahl des richtigen Gapfillers für Anwendung und Fertigungsprozess basiert auf der Bestimmung verschiedener Materialeigenschaften. Die Expertinnen und Experten des Fraunhofer IFAM unterstützen Sie gerne dabei, mögliche Gapfiller für Ihren individuellen Zweck auszuwählen oder ihre Materialien unabhängig umfassend zu qualifizieren. Dazu gehören Wärmeleitfähigkeit, mechanische Eigenschaften, Alterung, Verarbeitungs-, Härtungs- und nicht zuletzt Demontageeigenschaften. Letztere müssen den Austausch einzelner Zellen ermöglichen, falls ein Defekt der Batterie auftritt. Das Fraunhofer IFAM unterstützt Sie bei der Charakterisierung und Qualifizierung von Wärmeleitpasten und widmet sich darüber hinaus auch der Entwicklung neuartiger Gapfiller mit verbesserter chemischer Formulierung und der Optimierung spezifischer Fertigungsprozesse.