Hochentwickelte feuerbeständige Polymerverbundwerkstoffe

Elektrofahrzeuge verändern die Mobilität weltweit – doch mit ihrer zunehmenden Verbreitung wächst auch die Verantwortung der Branche, sie sicherer zu machen. Eine der größten Herausforderungen bei der Entwicklung von Elektrofahrzeugen ist der Schutz vor dem thermischen Durchgehen einer Batterie: einer gefährlichen Kettenreaktion, die einsetzt, wenn sich eine Batteriezelle überhitzt. Dabei können sich benachbarte Zellen entzünden und sich das Feuer rasch im Batteriepack ausbreiten. Die Materialwissenschaftler von TE Connectivity haben eine neuartige Lösung entwickelt, die Feuer nicht nur widersteht, sondern sich bei Feuereinwirkung verändert.

Das hochentwickelte, feuerbeständige Polymerverbundmaterial wurde vom Materialteam des Corporate Technology Center (CTC) von TE entwickelt und ist als Isolierbarriere konzipiert – beispielsweise zwischen den Batteriemodulen von E-Fahrzeugen. Unter normalen Betriebsbedingungen verhält es sich wie ein Kunststoff: Es lässt sich leicht verarbeiten und formen, kann mechanisch flexibel ausgelegt werden und ist mit gängigen Fertigungsverfahren wie Spritzgießen und Extrusion kompatibel. Bei extremer Hitze – wie sie beispielsweise bei einem Batteriebrand entsteht – wandelt sich das Material jedoch direkt an Ort und Stelle um.

Durch eine gezielt entwickelte chemische Reaktion in situ bilden reaktive anorganische Füllstoffe zusammen mit der Polymermatrix eine dichte, rissfreie, keramikähnliche Barriereschicht. Die Barriereschicht hält direkter Flammeneinwirkung bei Temperaturen von bis zu 1.200 °C mindestens 10 Minuten lang stand und behält dabei ihre strukturelle Isolierwirkung bei. Bei einer Anwendung in Elektrofahrzeugbatterien könnte eine solche Barriere dazu beitragen, das Risiko einer Brandausbreitung bei einem thermischen Durchgehen zu verringern. 

Bislang standen Entwickler bei der Auslegung des Brandschutzes vor schwierigen Zielkonflikten. Herkömmliche Keramikbarrieren sind spröde, können bei schnellen Temperaturänderungen (Thermoschock) Risse bilden und lassen sich nur schwer in komplexe Formen bringen. Glimmerbasierte Lösungen sind zwar wirksam, verursachen jedoch deutlich höhere Kosten und weisen eigene Einschränkungen bei der Verarbeitung auf. Herkömmliche Polymerwerkstoffe hingegen schmelzen oder versagen bei Brandeinwirkung – und zwar genau dann, wenn der Schutz am dringendsten benötigt wird.

Der feuerbeständige Polymerverbundwerkstoff von TE begegnet all diesen Nachteilen zugleich:

• Flexibilität und Haltbarkeit: Im Gegensatz zu starrer Keramik bleibt das Material vor Brandeinwirkung flexibel. Es lässt sich um bis zu 90° biegen, ohne dass Risse entstehen. Dadurch kann es leichter in komplexe Produktarchitekturen integriert werden.

• Hohe Thermoschockbeständigkeit: Prüfungen bestätigen, dass das Material bei Thermoschockprüfungen besser abschneidet als herkömmliche Aluminiumoxid-Keramiken (Al₂O₃).

• Skalierbare, kosteneffiziente Fertigung: Der Verbundwerkstoff ist mit gängigen Industrieanlagen kompatibel, darunter Doppelschneckenextruder, Spritzgießmaschinen und Kalandrieranlagen. Dadurch lässt er sich auch in großen Stückzahlen kosteneffizient herstellen.

• Kostenvorteil: Durch leistungsfähigen Brandschutz auf Basis eines gezielt entwickelten Polymersystems bietet diese Technologie eine wirtschaftlichere Alternative zu hochwertigen glimmerbasierten Lösungen.

Die Technologie von TE für feuerbeständige Polymerverbundwerkstoffe lässt sich sowohl auf Basis von Silikonkautschuk als auch von Thermoplasten (z. B. Nylon, Polypropylen usw.) realisieren. Diese Materialplattformen bieten Flexibilität bei der Auslegung für unterschiedlichste Anwendungen im Bereich der Elektroisolierung und des Wärmemanagements. Silikonbasierte Systeme lassen sich zu flexiblen Folien oder Platten verarbeiten. Sie behalten ihre Biegbarkeit und bieten zugleich Feuerbeständigkeit. Thermoplastische Systeme können mit etablierten Verfahren für die Großserienfertigung verarbeitet werden, beispielsweise im Spritzgießen zu Formteilen. Zusätzlich zu Separatoren und Barrierematerialien zum Schutz von E-Fahrzeugbatterien eignen sich diese Werkstofflösungen auch für weitere Anwendungen, beispielsweise für feuerbeständige Gehäuse von Hochvolt-Steckverbindern und Komponenten, die dazu beitragen, die Ausbreitung von Bränden einzudämmen. Benötigen Sie ein feuerbeständiges System? Wenden Sie sich an uns, um gemeinsam mit unseren Entwicklungsteams eine passende Lösung für Ihre Anforderungen zu entwickeln.

Bei TE beginnt Innovation damit, die anspruchsvollsten Herausforderungen unserer Kunden zu verstehen und sie anschließend mit fundiertem materialwissenschaftlichem Know-how sowie umfassender Engineering- und Fertigungskompetenz zu lösen. So trägt TE dazu bei, sicherere und zuverlässigere Elektrifizierungstechnologien für die Zukunft zu ermöglichen.