Entwicklung von Batterien für Elektrofahrzeuge:
Der Markt für Elektrofahrzeuge (EV) setzt seinen Trend hin zu Batterien mit höherer Energiedichte fort. Obwohl die durchschnittliche Energiedichte seit 2020 aufgrund des Wiederauflebens von LFP-Batterien leicht gesunken ist, hat der Anteil der Zellen an der Batteriekapazität zugenommen, wodurch die Auswirkungen der Verwendung von Zellen mit geringerer Energiedichte teilweise abgemildert werden.

Der steigende Anteil an LFPs hat die durchschnittliche Energiedichte der Zellen verringert, die Verpackungseffizienz hat sich jedoch weiterhin rasant verbessert, wodurch dies auf Packungsebene teilweise kompensiert wird. Quelle: IDTechEx (Abbildung 1)

Der Trend zu höherer Verpackungseffizienz ist zum Teil auf schrittweise Verbesserungen, aber auch auf die verstärkte Nutzung von Zell-zu-Zell- und Zell-zu-Karosserie-Designs zurückzuführen, die sich 2022 abzeichneten. BYDs Blade-Batterie verzeichnete 2022 einen deutlichen Absatzanstieg, und BYDs Marktanteil auf dem chinesischen Markt für Elektrofahrzeuge dürfte im ersten Halbjahr rund 25 % erreichen. Bei diesem Zell-zu-Zell-Design nimmt jede prismatische Zelle die gesamte Breite des Akkupacks ein. Ebenfalls 2022 brachte Tesla seine ersten Fahrzeuge mit den hocheffizienten 4680-Batteriezellen und einem speziellen Akkupack-Design auf den Markt, bei dem die Zellen direkt am Batteriedeckel befestigt sind. Diese Designänderungen verbessern die Energiedichte erheblich, da Hilfsmaterialien, die nicht direkt zur Batterieleistung beitragen, entfallen. Mehrere Erstausrüster (OEMs), darunter VW, Stellantis und andere, haben angekündigt, in den kommenden Jahren Zell-zu-Akkupack- oder Zell-zu-Karosserie-Designs einzuführen.

Brandschutz in zukünftigen Batteriedesigns:
Trotz der Reduzierung und des Wegfalls von Materialien in Elektrofahrzeugbatterien werden für eine optimale Leistung weiterhin einige Materialien benötigt. Dazu gehören das Wärmemanagement (Kühlplatten, Kühlmittel usw.) und, insbesondere ab 2022, Brandschutzmaterialien. Wie schon 2021 standen Brände von Elektrofahrzeugen im Fokus der Berichterstattung, doch heute treiben sie die Materialinnovation mehr denn je voran. Obwohl Brände seltener und weniger wahrscheinlich sind als bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor, bergen Lithium-Ionen-Batterien unabhängig von ihrer chemischen Zusammensetzung oder Zellform ein nicht zu vernachlässigendes Risiko der thermischen Überhitzung und des daraus resultierenden Brandes. 2021 riefen große Erstausrüster (OEMs) wie GM, Hyundai, VW und andere mehrere Fahrzeuge aufgrund des Risikos von Batteriebränden zurück. 2022 verzeichnete Indien einen Anstieg der Aufmerksamkeit für Batteriebrände bei elektrischen Zweirädern, was zur Einführung spezifischer Sicherheitsstandards für verschiedene Aspekte des Batteriedesigns führte.

Angesichts der zunehmenden öffentlichen Aufmerksamkeit und der bevorstehenden Einführung von Sicherheitsvorschriften gegen thermisches Durchgehen in mehreren Regionen sind Erstausrüster (OEMs) gezwungen, die für den Brandschutz verwendeten Materialien genauer zu prüfen. Der bereits erwähnte Trend zu Akkus mit höherer Energiedichte und Zellstapelung stellt eine Herausforderung für den Brandschutz dar. Mit steigender Energiedichte sinkt der Spielraum für Zusatzstoffe, weshalb sich die Anbieter auf multifunktionale Materialien konzentrieren. Aerogele gewinnen beispielsweise aufgrund ihrer Wärmedämmung, ihres Brandschutzes und ihrer Kompressibilität Marktanteile. 2022 wurde Aspen Aerogels als Lieferant für die Ultium-Plattform von GM ausgewählt, und sein PyroThin-Material erzielte im ersten Halbjahr 2022 einen Umsatz von 18,4 Millionen US-Dollar, gegenüber 6,7 Millionen US-Dollar im gesamten Jahr 2021. Die Rogers Corporation, ein wichtiger Anbieter von Kompressionsschaumstoffpolstern für Pouch-Zellen-Akkus, kündigte 2022 ihre EV ProCell Firewall-Materialien an, die sowohl Brandschutz als auch Kompressionsmanagement bieten (entscheidend für Pouch-Zellen-Akkus). Ende 2021 wurde die Übernahme von Rogers durch DuPont als eine der größten Akquisitionen im Rohstoffsektor der jüngeren Geschichte angekündigt. Diese Übernahme wurde jedoch Ende 2022 abgesagt, nachdem DuPont nicht alle erforderlichen Genehmigungen der Aufsichtsbehörden erhalten hatte.

Je nach Zellformat und Bedarf an einer Lösung zwischen den Zellen und/oder auf Packebene können weitere Materialoptionen zum Einsatz kommen. Ab 2023 wird mit dem rasanten Wachstum des Marktes für Elektrofahrzeuge die Nachfrage nach einigen dieser Materialien stark steigen. IDTechEx prognostiziert, dass sich der Bedarf an Brandschutzmaterialien bis 2033 verdreizehnfachen wird. Der aktuelle Bericht von IDTechEx, „Brandschutzmaterialien für Elektrofahrzeugbatterien 2023–2033“, analysiert Trends im Batteriedesign, Sicherheitsvorschriften und deren Auswirkungen auf Brandschutzmaterialien. Der Bericht vergleicht Materialien direkt miteinander und für Anwendungen innerhalb von Batteriepacks. Zu den analysierten Materialien gehören Keramikmatten und -folien (sowie andere Vliesstoffe), Glimmer, Aerogele, Beschichtungen (aufschäumend und andere), Vergussmassen, Vergussschäume, Kompressionspolster, Phasenwechselmaterialien und viele weitere. Für jedes Material und jede Fahrzeugkategorie sind Zehnjahres-Marktprognosen enthalten.

Es gibt viele Materialien, die für den Brandschutz geeignet sind, jedes mit seinen Vor- und Nachteilen, abhängig von der Batteriekonstruktion.

Entwicklung von Wärmeleitmaterialien in Elektrofahrzeugbatterien

Wärmeleitmaterialien (TIMs) sind ein grundlegender Bestandteil der meisten modernen Batteriedesigns für Elektrofahrzeuge. Sie tragen zur Wärmeableitung von den Zellen an die Kühlstruktur (Modulgehäuse, Kühlsystem, Kühlplatten/-kanäle) bei. Aktuell werden in den meisten Anwendungen Batteriezellen auf einem spaltfüllenden TIM innerhalb eines Moduls platziert; mehrere dieser Module sitzen dann auf einem weiteren spaltfüllenden TIM, um den Kontakt zur darunter liegenden flüssigkeitsgekühlten Kühlplatte herzustellen. Dieser Ansatz hat sich in einigen neueren Designs, insbesondere bei Zell-zu-Pack-Designs, geändert.

Das Konzept sieht vor, dass die Zellen über ein einziges Wärmeleitmaterial (TIM) direkten Kontakt mit der Kühlplatte herstellen. Dadurch wird die Anzahl der Kontaktflächen reduziert und die Wärmeübertragung verbessert. Durch die geringere Anzahl an Kontaktflächen kann die Wärmeleitfähigkeit des TIMs verringert werden, wodurch weniger Material benötigt wird. Dies könnte zunächst Gewicht und Kosten des TIMs senken und dessen Verteilung vereinfachen. Da jedoch Modulgehäuse (oder ähnliche Strukturen) entfallen, muss das TIM nun eine strukturelle Komponente darstellen. Dies eröffnet ein großes Potenzial für wärmeleitende Klebstoffe.

Während (wie bereits erwähnt) die Materialien, die die Batteriezellen umgeben, aus dem Akkupack entfernt werden, um eine höhere Energiedichte zu ermöglichen, bleibt das Wärmeleitmaterial (TIM) weitgehend erhalten und bietet multifunktionale Eigenschaften, die sowohl das Wärmemanagement als auch die Akkupackstruktur unterstützen. Bei größeren Zellen kann sich der Anwendungsbereich von TIM in einigen Designs etwas verringern, aber IDTechEx prognostiziert bis 2031 mehr als 2 TWh flüssigkeits- oder kühlmittelgekühlte Batterien, was ein enormes Wachstum für TIM sowie andere Komponenten und Materialien des Wärmemanagements bedeuten wird.

Kombination von Wärmemanagement und elektromagnetischer Abschirmung in 5G und ADAS

Mehrere Branchen setzen zunehmend auf höhere Frequenzen. Zwei wichtige Beispiele hierfür sind die 5G-Telekommunikation für höhere Datenübertragungsraten und das Automobilradar für eine hochauflösende Detektion. Bei höheren Frequenzen wird die Abschirmung gegen elektromagnetische Störungen (EMI) mit herkömmlichen Methoden schwieriger. In Kombination mit der steigenden Dichte und Leistung von Bauteilen gewinnen Materialien, die sowohl Wärmemanagement als auch EMI-Abschirmung bieten, immer mehr an Bedeutung.

Der 5G-Ausbau ist in vollem Gange, die höherfrequente Infrastruktur im Millimeterwellenbereich (mmWave, >24 GHz) steckt jedoch noch in den Kinderschuhen. Der Großteil der 5G-Infrastruktur wird 2022 weiterhin in den niedrigeren Frequenzbändern unter 6 GHz angesiedelt sein. IDTechEx prognostiziert jedoch bis 2033 einen 70-fachen Anstieg des Einsatzes von mmWave-Kleinzellen. Die mmWave-Infrastruktur birgt einige Herausforderungen im Zusammenhang mit der Signalausbreitung. Zudem erfordert die höhere Frequenz kleinere, dichter gepackte Antennen, was sowohl das Wärmemanagement als auch die EMV-Abschirmung erschwert.

Automobilradar ist eine Schlüsselkomponente fortschrittlicher Fahrerassistenzsysteme (ADAS) und eine wichtige Voraussetzung für zukünftige autonome Fahrzeuge. Bisherige Automobilradargeräte arbeiteten hauptsächlich im 24-GHz-Bereich. Inzwischen hat sich der Markt weitgehend auf Frequenzen über 77 GHz verlagert. Dies erhöht die Auflösung, erfordert aber auch eine kompaktere Antenne und somit ein kleineres Radargerät. Diese Hochfrequenzradargeräte werden voraussichtlich die dominierende Technologie der Zukunft sein. IDTechEx schätzt, dass bis 2030 über 90 % der Automobilradargeräte im 77-GHz-Bereich arbeiten werden. Bei diesen Bauformen stellt die kompakte Bauweise in Verbindung mit den höheren Frequenzsignalen erneut Herausforderungen an das Wärmemanagement und die elektromagnetische Abschirmung dar.

Herkömmliche EMV-Abschirmungen bestehen typischerweise aus einer Metallabschirmung auf Leiterplattenebene (BLS), die über dem Bauteil angebracht wird. Zwischen Bauteil und Abschirmung sowie zwischen Abschirmung und Kühlkörper wird ein Wärmeleitmaterial (TIM) verwendet. Diese Abschirmungen weisen häufig Öffnungen zur besseren Wärmeableitung auf. Bei höheren Frequenzen (kürzeren Wellenlängen) reduziert dies jedoch die EMV-Wirksamkeit der Abschirmung erheblich. Zudem ist die Wärmeübertragung durch die mehreren Kontaktflächen zwischen Bauteil und Kühlkörper deutlich ineffizienter. Verschiedene Materialhersteller haben eine Lösung für diese Probleme entwickelt: ein Wärmeleitmaterial mit integrierten EMV-Abschirmungseigenschaften.

Eine kombinierte EMI-Abschirmung und Wärmeleitfolie (TIM) kann mehrere Wärmeleitfolien und eine Abschirmung auf Plattenebene (BLS) ersetzen. Quelle: IDTechEx

Mehrere Hersteller wie Henkel, Kitagawa und Schlegel haben Wärmeleitmaterialien (TIMs) auf den Markt gebracht, die gleichzeitig als EMI-Abschirmung dienen. Eine besonders interessante Option aus dem Jahr 2022 ist die Ankündigung von Lairds CoolZorb D. Wie andere Produkte kombiniert es EMI-Abschirmung und Wärmeleitmaterial, unterscheidet sich jedoch dadurch, dass es als einteiliges, austauschbares Material vorliegt. Das Material bietet eine Wärmeleitfähigkeit von 3,5 W/mK und eine hohe Dämpfung, insbesondere oberhalb von 20 GHz. Durch seine Austauschbarkeit eignet es sich potenziell besser für die Massenproduktion, was die Automatisierung des Produktionsprozesses ermöglicht. Obwohl diese kombinierten EMI/TIM-Optionen teurer sind als vergleichbare Wärmeleitmaterialien, kann die Möglichkeit, das EMI-absorbierende Material zu entfernen, die Gesamtkosten des Bauteils senken und den Herstellungsprozess vereinfachen.

Sowohl 5G als auch Automobilradar sind schnell wachsende Märkte, die auf höhere Frequenzen umstellen. IDTechEx prognostiziert bis 2032 über 12 Millionen 5G-Basisstationen, die ein Wärmemanagement benötigen werden, und dass sich der jährliche Marktwert von Wärmeleitmaterialien (TIMs) in Fahrerassistenzsystemen (ADAS) in den nächsten zehn Jahren verelffachen wird.