Angesichts des Trends zur Reduzierung und Eliminierung von Materialien in Batterien von Elektrofahrzeugen stellt sich die Frage, ob Wärmemanagementmaterialien (TIMs) weiterhin relevant bleiben werden. Dieser Artikel untersucht verschiedene Methoden zur Reduzierung und Eliminierung von TIMs und deren voraussichtliche Auswirkungen auf die weltweite TIM-Nachfrage im Markt für Elektrofahrzeuge. Der IDTechEx-Bericht „Thermal Management for Electric Vehicles 2025–2035: Materials, Markets, and Technologies“ bietet eine umfassende Analyse des Marktes für TIMs in Elektrofahrzeugen. Eine Anwendungsfallanalyse zeigt, dass die TIM-Intensität in Serienmodellen von Elektrofahrzeugen zwischen 0,14 kg/kWh und 0,005 kg/kWh liegt.
Die Wärmeleitfähigkeitsintensität kann je nach Batteriedesign erheblich variieren. Quelle: IDTechEx
Reduzierung der TIM-Intensität zwischen Zelle und Paket
Die Zell-zu-Pack-Technologie (CTP) gilt als die am weitesten verbreitete Methode zur Reduzierung des Materialeinsatzes in Batterien. Durch das Stapeln aller Zellen ohne einzelne Module lassen sich verschiedene Materialien, wie beispielsweise Modulgehäuse und Verbindungen zwischen den Modulen, einsparen oder reduzieren.
Dies wirkt sich auch auf die Wärmeleitpaste (TIM) aus, da anstatt der TIM-Schichten innerhalb und außerhalb der Module nur noch eine einzige Schicht direkt zwischen den Zellen und der Kühlplatte benötigt wird. Dadurch reduziert sich die benötigte TIM-Menge pro Fahrzeug drastisch. IDTechEx ermittelte eine durchschnittliche Reduzierung von fast 50 %, wobei dieser Wert je nach Batteriedesign stark variiert.
Die extremste Reduzierung, die IDTechEx bei großflächigen Automobilbatterien beobachtet hat, ist das CTP 3.0-Design von CATL. Dieses nutzt ausziehbare Kühlkanäle zwischen den Zellen, die einen ausreichenden thermischen Kontakt mit den Zelloberflächen herstellen, ohne dass viel Wärmeleitpaste (TIM) benötigt wird. Allerdings wird an den Rändern dieser Kühlkanäle weiterhin eine relativ geringe Menge TIM verwendet.
Obwohl das benötigte Volumen an Wärmeleitpaste (TIM) deutlich abnimmt, spielen diese TIMs tendenziell eine eher strukturelle Rolle und erfordern daher stärkere Hafteigenschaften (d. h. einen wärmeleitenden Klebstoff) im Vergleich zu ihren Pendants, die in modularen Konstruktionen verwendet werden (d. h. einen eher gelartigen Spaltfüller).
Wärmeleitfähige Klebstoffe sind in der Regel pro Kilogramm teurer als Spaltfüller, daher kann ein Teil des durch die Materialreduzierung verlorenen Wertes dank der höheren Materialpreise wieder wettgemacht werden.
Alternative Kühlansätze zur Vermeidung von Wärmeleitmaterialien:
Neben der Materialreduzierung gibt es Batteriedesigns, die vollständig auf Wärmeleitmaterialien verzichten können. Xerotech (ein irischer Batteriehersteller) verwendet Kühlkanäle zwischen zylindrischen Zellen aus einem Polymer anstelle des üblicherweise verwendeten Aluminiums. Diese Kanäle dehnen sich aus und füllen die Zwischenräume zwischen den Zellen, wodurch ein guter thermischer Kontakt hergestellt wird.
Der österreichische Komponentenhersteller Miba hat mit FLEXCooler ein Produkt entwickelt, das Kühlplatten und Wärmeleitpasten durch einen flexiblen Kühlkanal ersetzt, der sich ausdehnt und den Raum um die Zellen ausfüllt. Laut Miba reduziert dies den Rohmaterialverbrauch im Vergleich zu herkömmlichen Aluminium-Kühlplatten um 80 %.
Die Immersionskühlung ist eine weitere Möglichkeit, den Überhitzungsschutz (TIM) zu eliminieren, da sie auf Kühlplatten verzichtet und die Zellen direkt in ein dielektrisches Kühlmittel eintaucht. Dies sorgt für eine hervorragende thermische Gleichmäßigkeit innerhalb der Batteriezellen und des gesamten Akkupacks. Allerdings bringt sie eigene Herausforderungen hinsichtlich der Flüssigkeitsabdichtung, der Pumpenauswahl und der erhöhten Komplexität mit sich. Aus diesen Gründen wird die Immersionskühlung hauptsächlich für Hochleistungsbatterien mit hoher Energiedichte eingesetzt, und IDTechEx geht davon aus, dass dies auch weiterhin ihr Hauptanwendungsfall bleiben wird.
Perspektiven
Je stärker sich die Einzelzellen-Batterietechnik durchsetzt, desto effizientere Batteriegehäuse werden sich etablieren, und der durchschnittliche TIM-Anteil pro EV-Batteriepack wird bei TIM-freien Designs sinken. Dennoch ist der Markt weiterhin von einer Vielzahl an Batteriedesigns geprägt, von denen die meisten erhebliche Mengen an TIM verwenden. Selbst bei sinkendem durchschnittlichem TIM-Anteil wird der wachsende Markt für Elektrofahrzeuge die Nachfrage nach diesen Materialien weiter ankurbeln.
IDTechEx prognostiziert, dass die Nachfrage nach TIM bis 2035 im Vergleich zu 2023 um das 4,2-fache steigen wird, um den Markt für Elektrofahrzeuge in Straßenfahrzeugen wie Pkw, Lieferwagen, Lkw, Bussen, Zweirädern, Dreirädern und Kleinstwagen zu beliefern.
Autor: Dr. James Edmondson, Forschungsdirektor bei IDTechEx
