Im Jahr 2020 haben wir beobachtet, dass mehrere Branchen und Materiallieferanten diesen Trend fortsetzen und thermische Aspekte bei der Produktentwicklung und der Materialauswahl stärker berücksichtigen.
Elektrofahrzeuge
(EVs) sind die Zukunft der Automobilindustrie; leider scheint 2020 das Jahr der EV-Rückrufe aufgrund von Batteriebränden gewesen zu sein. In China wurden von Januar bis Oktober 10.579 batterieelektrische Fahrzeuge (BEVs) und Plug-in-Hybridfahrzeuge (PHEVs) wegen Brandgefahr bei sieben Originalausrüstern (OEMs) zurückgerufen. General Motors rief 68.667 Chevrolet Bolts zurück und riet den Besitzern, ihre Fahrzeuge aufgrund der Brandgefahr nicht in der Nähe ihrer Häuser oder in Garagen zu parken. Dies beschränkt sich nicht auf wenige OEMs. Branchenkontakte haben IDTechEx mitgeteilt, dass Elektrofahrzeuge sicherer sein werden als konventionelle Fahrzeuge, aber derzeit hat fast jeder OEM mit Elektrofahrzeugen mindestens einen schweren Brandvorfall zu verzeichnen. Die Ursachen dieser Brände sind unterschiedlich: In einigen Fällen waren Verunreinigungen in den Zellen die Ursache, in anderen führte eine mangelhafte Wärmeableitung zu einer Überhitzung der Batterien. Ungeachtet der primären Ursache gewinnt die Verhinderung von Zellüberhitzung sowie die Erkennung und Eindämmung des thermischen Durchgehens zunehmend an Bedeutung.
Elektrofahrzeuge benötigen in mehreren Bereichen ein effektives Wärmemanagement. Hochvoltbatterien, Traktionsmotoren und Leistungselektronik benötigen für optimalen Betrieb einen spezifischen Temperaturbereich. Die Integration dieses Temperaturmanagements in die Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums ist ebenfalls entscheidend. In den letzten Jahren haben Elektrofahrzeughersteller von passiver oder Zwangsluftkühlung ihrer Batterien auf Wasser-Glykol-Systeme umgestellt. 2019 etablierten sich flüssigkeitsgekühlte Batterien als beliebteste Kühlmethode für Elektrofahrzeuge – ein Trend, der sich 2020 fortsetzt. Nissan setzte mit dem Leaf traditionell auf Luftkühlung bei seinen Elektrofahrzeugen; der neu angekündigte Ariya hingegen wird flüssigkeitsgekühlt. Hondas erstes Elektrofahrzeug, der Honda, wurde 2020 mit einem flüssigkeitsgekühlten Akku ausgeliefert. Ebenfalls 2020 startete Porsche die Serienproduktion des Taycan mit einem 800-V-Akku und einem ausgeklügelten Flüssigkeitskühlsystem.
Die Beheizung des Fahrgastraums ist ein Bereich, in dem Verbrennerfahrzeuge gegenüber Elektrofahrzeugen im Vorteil sind. Die Abwärme eines Verbrennungsmotors kann zur Beheizung des Innenraums genutzt werden, während in Elektrofahrzeugen häufig einfache Widerstandsheizungen zum Einsatz kommen, die die Batterie entladen. Wärmepumpen, die eine Batterie effizient kühlen oder heizen können, gewinnen zunehmend an Bedeutung. Durch die Kühlung der Batterie wird die überschüssige Wärme an die Fahrgastraumheizung weitergeleitet; auch Wärme aus der Umgebungsluft kann zur Fahrgastraumheizung genutzt werden. Nissan setzte 2013 als erster Hersteller eine Wärmepumpe ein, und bis 2020 war die überwiegende Mehrheit der neu eingeführten Elektrofahrzeugmodelle mit einer Wärmepumpe ausgestattet, darunter Modelle von VW, Hyundai, Mini, Vauxhall und anderen. 2020 wurden die ersten Tesla Model Y ausgeliefert, das erste Tesla-Modell mit Wärmepumpe. Seitdem hat Tesla angekündigt, dass auch das aktualisierte Model 3 des Modelljahres 2021 mit einer Wärmepumpe ausgestattet sein wird.
Angesichts des rasanten Wachstums des Marktes für Elektrofahrzeuge könnten Brände häufiger auftreten, was einen deutlich stärkeren Fokus auf Brandschutz sowohl aus regulatorischer als auch aus materieller Sicht erforderlich macht. Der zunehmende Einsatz von Flüssigkeitskühlsystemen und Wärmepumpentechnologien zeigt, wie Hersteller die Bedeutung des Wärmemanagements erkennen und entsprechende Lösungen implementieren.
5G
verspricht unglaubliche Downloadgeschwindigkeiten und extrem niedrige Latenzzeiten. Die ersten 5G-Smartphones kamen 2019 auf den Markt, der Markt expandierte jedoch erst 2020 rasant. Frühe 5G-Geräte überhitzten schnell, insbesondere in warmen Klimazonen bei der Nutzung von Millimeterwellen (mmWave), und schalteten häufig auf 4G um, um die Temperatur zu senken. Die Verwendung von Materialien um die mmWave-Antenne herum stellt ebenfalls eine Herausforderung für die Signalübertragung dar. Dies bietet Materiallieferanten die Möglichkeit, diese Herausforderungen zu bewältigen. Wichtige Märkte werden Wärmeleitmaterialien (TIMs), Wärmeverteiler und Wärmedämmstoffe sein. In den letzten Jahren hat die Anwendung von Dampfkammern in Smartphones
zur Verbesserung der Wärmeableitung zugenommen. Ihre Zukunft ist jedoch ungewiss, da einige High-End-Modelle aufgrund ihrer geringeren Komplexität, Kosten und ihres geringeren Gewichts immer noch Graphit-Kühlkörper verwenden. Beispielsweise verwendete Samsung, das zuvor mit Dampfkammern geworben hatte, im Jahr 2020 beim Note 20 entweder einen Graphit-Kühlkörper oder eine Kupfer-Dampfkammer. Ebenfalls im Jahr 2020 verwendeten Apples erste 5G-Telefone, die iPhone 12-Reihe, allesamt Graphit-Kühlkörper und verzichteten auf Dampfkammern.
Im Jahr 2020 wurden mehrere neue Wärmeleitmaterialien für 5G-Anwendungen eingeführt. Dow präsentierte das Dowsil TC-3065 Thermal Gel mit einer Wärmeleitfähigkeit von 6,5 W/mK und Bondline-Dicken von bis zu 150 Mikrometern für Anwendungen in optischen Transceivern, Solid-State-Drives und anderen Netzwerkgeräten. Auch Henkel stellte sein Portfolio an Wärmeleitmaterialien für die 5G-Infrastruktur vor, darunter das Gel Bergquist Liquid-Form TLF 6000HG mit einer Wärmeleitfähigkeit von 6,0 W/mK und das Bergquist Gap Pad TGP 10000ULM mit einer Wärmeleitfähigkeit von 10 W/mK. Eine Version mit 12 W/mK ist in Planung. Eine weitere bedeutende Produkteinführung im Jahr 2020 war die Ankündigung des Wärmedämmmaterials von WL Gore für Smartphones. Dieses Material hat eine geringere Wärmeleitfähigkeit als Luft, wodurch Hotspots auf der Oberfläche des Geräts reduziert werden. Gleichzeitig ist es mit der neuen mmWave 5G-Antenne kompatibel, die die Signalausbreitung bekämpfen kann.
Mit dem Ausbau von 5G beobachten wir eine verstärkte Nutzung der Millimeterwellenfrequenz für höhere Downloadraten und geringere Latenz.
Das rasante Wachstum des 5G-Ausbaus und insbesondere die verstärkte Nutzung von mmWave werden neue Herausforderungen und Chancen für verschiedene Materialien und Komponenten im Bereich des Wärmemanagements sowohl für Smartphones als auch für die Telekommunikationsinfrastruktur mit sich bringen.
Bedeutende Akquisitionen und Partnerschaften:
Im Oktober 2020 erwarb Honeywell Rocky Research, ein in Nevada ansässiges Unternehmen und führender Anbieter von Lösungen für Wärme-, Energie- und Leistungsmanagement. Durch diese Akquisition kann Honeywell sein Portfolio an Wärmematerialien für die Luft- und Raumfahrtindustrie deutlich erweitern. Rocky Research hat bereits mehrere Großaufträge des US-Verteidigungsministeriums und des Ministeriums für Innere Sicherheit erhalten.
Die Rex Materials Group (RMG) wurde im Juni 2020 von Unifrax übernommen. Unifrax bietet Hochleistungs-Spezialmaterialien für Wärmemanagement, Emissionskontrolle, Batterien, Spezialfiltration und Brandschutz an und wird von der Clearlake Capital Group, LP, unterstützt. Durch die Integration von RMG erweitert Unifrax sein Portfolio an thermischen Hochtemperaturkomponenten.
Eine weitere Akquisition im Oktober 2020 war die Übernahme von Latent Heat Solutions, LLC (LHS) durch die CAVU Group. CAVU ist ein führender Anbieter von Lösungen für Wärmemanagement und Temperaturregelung. LHS bietet Wärmemanagementsysteme für kommerzielle Batteriespeicher und die Temperaturstabilisierung temperaturempfindlicher Komponenten. Die Technologie von LHS umfasst den Einsatz von Phasenwechselmaterialien (PCM) und trägt zur Verhinderung des thermischen Durchgehens in Batteriezellen bei. Der Zusammenschluss soll die Innovationskraft von CAVU in den Bereichen Materialien, Entwicklung und Produktion stärken.
Die KULR Technology Group, Inc. hat eine Partnerschaft mit Airbus bekannt gegeben, um ihre passiven, ausfallsicheren Batteriedesignlösungen für Lithium-Ionen-Batterien in der Luft- und Raumfahrt bereitzustellen. Zu den Technologien von KULR gehören die Verhinderung von thermischem Durchgehen und internen Kurzschlüssen. Das Design von KULR beinhaltet eine hülsenartige Abschirmung, die die einzelnen Zellen, die Kohlenstofffaserkerne und das flüssige Kühlmittel voneinander trennt.
Zusammenfassung
Das Jahr 2020 verdeutlichte nicht nur den anhaltenden Trend der Hersteller hin zu einem effektiveren Wärmemanagement, sondern rückte auch mehrere Probleme in den Fokus der Öffentlichkeit, darunter Brände und Rückrufaktionen von Elektrofahrzeugen sowie die Überhitzung von Smartphones. Der stetig wachsende Markt für Wärmeleitmaterialien bietet vielfältige Möglichkeiten für unterschiedlichste Anwendungen und wird in den kommenden Jahren weiterhin rasant wachsen. Ab 2021 wird der Druck auf das Wärmemanagement weiter zunehmen – eine Herausforderung, der durch technische und materialtechnische Lösungen in einem stetig wachsenden Anwendungsspektrum begegnet werden muss.
