Isolierschläuche

ePTFE Membranen in Batterieentlüftungen

Mit der sich in Deutschland aktuell vollziehenden Verkehrswende steigt die Zahl der Elektro- und Hybridfahrzeuge rapide an. Als Folge gewinnen auch die hierfür benötigten Lithium-Ionen-Batterien zunehmend an Bedeutsamkeit. Diese aufladbaren Energiespeicher weisen einen hohen Energiequotienten pro Volumeneinheit auf und werden für die Nutzung als Antriebsquelle in PKWs in Akkublöcken zusammengestellt. Speziell für den Einsatz in motorisierten Fahrzeugen benötigen besagte Lithium-Ionen-Batterien naturgemäß einen adäquaten Schutz gegenüber den anspruchsvollen Umgebungsbedingungen wie auch ein Be- und Entlüftungssystem zur Kompensation von Temperatur- oder Druckschwankungen. Als die funktionalste Option hat sich diesbezüglich eine zweistufige Belüftungslösung mit ePTFE-Membranen etabliert. Diese gewährleistet in Stufe 1 einen Druckausgleich, wobei zeitgleich das Eindringen von Fremdkörpern und Wasser verhindert wird. Während der zweiten Stufe wird das Belüftungselement geöffnet. Hierdurch entweichen sich ansammelnde Gase. Ein Anstieg von Temperatur und Druck kann vermieden werden und additive Schäden an den Batteriezellen bleiben aus.

Belüftung zum Schutz des Batteriegehäuses

Ein Batteriegehäuse stellt in der Regel eine abgedichtete Einhausung aus Metall oder Kunststoff dar, die die enthaltenen Akkus vor externen Einflüssen wie Witterung, Staub oder Abrieb schützt und somit eine Beschädigung der Batteriezellen verhindert. Ein Batteriegehäuse ist allerdings als abgedichtetes Element aufgrund fehlender Austauschmöglichkeiten sehr anfällig gegenüber Beschädigungen in Folge von sowohl zu hohen Temperaturen im Gehäuse als auch einem zu starken Druckgradienten zwischen Gehäuseinnerem und Umgebung. Beide Problematiken können jedoch bei Fahrzeugbetrieb in Folge von Wärmeentwicklung in den Batteriezellen, einer Veränderung in der Umgebungstemperatur, einer Höhenänderung oder variierendem Umgebungsdruck jederzeit eintreten und zu einer Beschädigung der Batteriezellen und Dichtungen führen. Es können bei anhaltender Belastung Undichtigkeiten und Explosionen resultieren. Um dem entgegenzuwirken ist eine zweistufige Belüftungslösung notwendig. Diese ermöglicht das Entweichen von bei rapidem Druckanstieg entstehender Gase. Ebenfalls wird ein zu erheblicher Temperaturanstieg im Gehäuse abgewendet.

Um die Notwendigkeit dieses Druckausgleichs nachvollziehen zu können, ist ein detaillierter Blick auf das Innere einer Lithium-Ionen-Batterie sinnvoll. Generell setzt sich ein Akkupack in der Regel aus zwei verbundenen Elementen zusammen, deren Verbindungspunkt mit einer Dichtung versehen ist. Ebendiese Dichtung gerät bei einem zunehmenden Druckgradienten unter Belastung. Da die gängigen Hersteller von elektronisch betriebenen Kraftfahrzeugen allerdings zumeist eine bis zu achtjähriger Gewährleistung zugestehen, wird eine entsprechende Lebensdauer der Batteriezellen erwartet. Ein adäquater Druckausgleich reduziert die Druckunterschiede erheblich und trägt damit maßgeblich zur Schonung und Langlebigkeit von Dichtung sowie Gehäuse bei.

Belüftungen der Stufe 1 mittels ePTFE-Membranen

Bei Belüftungen der Stufe 1 (passive Belüftung) handelt es sich um ein Lüftungssystem aus expandiertem Polytetrafluorethylen (ePTFE). Dieses ermöglicht gleichsam einen Druckausgleich, während eine Verunreinigung des Gehäuses im Zuge des Lüftungsvorgangs verhindert wird. Die enthaltenen ePTFE-Membranen (siehe Abbildung 2) erscheinen dem menschlichen Auge als undurchsichtig und gewährleisten einen Eindringschutz selbst gegenüber Kleinstpartikeln. Entgegen dem Anschein enthält eine ePTFE-Membran jedoch zahlreiche Öffnungen mit einem maximalen Durchmesser von unter einem Mikrometer. Folglich bleiben diese für Gase passierbar, sodass sich ein Druckausgleich vollziehen kann. Abhängig von den zu erwartenden Verunreinigungen können die Belüftungselemente spezifisch angepasst werden. So ist die Spezialisierung eines gängigen Batteriegehäuses möglich, um Wasser mit einem Druck von bis zu 690 Millibar zu widerstehen.

ePTFE-Membranen

Die FITCO® ePTFE Membranen von GREMCO schützen dank ihrer mechanischen Beständigkeit, chemischen Inertheit sowie hohen Temperaturbeständigkeit sicher, effektiv und langfristig vor diversen Fremdkörpern wie Wasser, Öl, Staub oder sonstigen Partikeln und Flüssigkeiten. Die Effektivität der Druckreduzierung in der ersten Belüftungsstufe unter Verwendung der FITCO® ePTFE Membranen wird mittels Abbildung 3 vermittelt. So wäre ein Batteriegehäuse ohne Lüftungssystem einem Temperaturanstieg von 50 °C innerhalb einer Stunde exponiert. Dies entspricht etwa dem Szenario eines Automobils, das bei kalten Außentemperaturen gestartet und anschließend mit hoher Geschwindigkeit gefahren wird. Es resultiert ein Druckgradient von bis zu 180 Millibar. Mittels eines Lüftungssystems mit ePTFE-Membran kann dieser Wert auf ein Maximum von 10 Millibar reduziert werden.

Belüftungen der Stufe 2

Im Unterschied zur beschriebenen Stufe 1, welche den Ausgleich kontinuierlich entstehender Druckgradienten im Batteriegehäuse behebt, ist ein solches Vorgehen im Szenario eines „thermischen Durchgangs“ mitunter nicht möglich. Für ebendiese Problematik sind Belüftungen der zweiten Stufe (aktive Belüftungen) konzipiert. Hierbei wird das Belüftungselement gänzlich geöffnet, sodass stark expandierende Gase in kontrollierter Weise abgegeben werden. Hierdurch können neuerliche Schäden an den verbleibenden Zellen sowie unkontrollierte Explosionen im Gehäuse vermieden werden. Dies funktioniert zumeist mittels mechanischer Funktionen, die in gegebenem Szenario eine Lüftung einleiten. Die Entstehung eines grenzwertigen Druckgradienten inklusive katastrophalen Versagens als Folge eines „thermischen Durchgehens“, also eines rapiden Auftretens von Gasen und hohen Temperaturen, wird verhindert.

Wie dank eines Zusammenspiels aus aktiver und passiver Belüftung ein Bruch des Batteriegehäuses vermieden werden kann, ist in Abbildung 3 visualisiert. Hierbei wurde ein normalerweise unter einem Druck von 1.500 Millibar zerbrechendes Gehäuse mit einem sich bei 500 Millibar öffnenden aktiven Belüftungselement versehen. Besagtes System reduziert den Druckgradienten auf circa 750 Millibar, wodurch ein Bruch sicher verhindert wird.