PACK Manufacturing Technology Series: Analyse des thermischen Durchgehens von Batteriepaketen und der Technologie für Wärmeisolationsmaterialien

PACK Manufacturing Technology Series: Analyse des thermischen Durchgehens von Batteriepaketen und der Technologie für Wärmeisolationsmaterialien

Der glühende Moment: Die scharfe Warnung vor dem thermischen Durchgehen von Lithiumbatterien und der Lebensader von Isoliermaterialien

Im Jahr 2024 explodierte und fing eine Lithiumbatteriefabrik in der südkoreanischen Provinz Gyeonggi plötzlich und fing Feuer, wobei in nur 15 Sekunden 23 Arbeiter ums Leben kamen.

Im Jahr 2025 kollidierte ein Xiaomi SU7 bei hoher Geschwindigkeit und drei Personen im Fahrzeug konnten nicht gerettet werden…

Ganz gleich, ob es sich um neue Energiefahrzeuge handelt, die über die Straßen rasen, oder um Energiespeicherkraftwerke, die den Übergang zu grüner Energie unterstützen: Brände und Explosionen, die durch thermisches Durchgehen von Lithiumbatteriezellen verursacht werden, sind keine Einzelfälle mehr. Hinter den schockierenden Daten verbirgt sich eine große Sicherheitsherausforderung. Unvollständige Statistiken zeigen, dass im Jahr 2024 über 30 % der Brandunfälle in Energiespeicherstationen weltweit auf das thermische Durchgehen von Lithiumbatterien zurückzuführen sind. Im Bereich der New-Energy-Fahrzeuge liegt die Todesrate der Insassen bei einem Batteriebrand bei sage und schreibe 70 %!

Angesichts einer so häufig auftretenden Sicherheitsbedrohung mit hoher Todesrate ist der Aufbau eines wirksamen Systems zum Schutz vor thermischem Durchgehen äußerst dringend. Unter diesen spielen Isoliermaterialien für Batteriepacks eine entscheidende Rolle als „Wächter der thermischen Barriere“. Wie genau können sie also die Ausbreitung von Hitze eindämmen und wertvolle Zeit zur Flucht gewinnen, wenn eine Katastrophe eintritt? Welche gängigen Arten von Isoliermaterialien sind derzeit erhältlich und schützen die Grenze zwischen Leben und Tod?

I. Thermal Runaway und Thermal Barrier

1. Brände von Lithiumbatterien: Schnelles Durchgehen bei hoher Temperatur und Kettenreaktion

Sobald eine Lithiumbatterie Feuer fängt, sind ihre Eigenschaften deutlich: schnelles Brennen, intensive Flammen, enorme Zerstörungskraft und extreme Löschschwierigkeiten. Die Kerngefahr liegt im thermischen Durchgehen der Zelle. Es handelt sich nicht um eine plötzliche Explosion, sondern um eine Kettenreaktion mit Schwellung/Ausbeulung, Rauchentwicklung, heftiger Entzündung und starkem Brennen. Bei diesem Prozess wird enorme Hitze freigesetzt, wobei die Spitzentemperaturen unglaubliche 450 °C bis 600 °C erreichen.

Noch gefährlicher ist, dass örtlich hohe Temperaturen schnell eine kettenförmige thermische Ausbreitung auf benachbarte Zellen auslösen können, was schließlich zu einem Brand oder sogar einer Explosion führen kann.

Die Hauptauslöser dieser „Kettenkatastrophe“ lassen sich in drei Kategorien einteilen:

• Physischer Schaden: Zerstörung durch äußere Gewalt wie Kollision, Quetschung oder Durchstich.

• Temperaturmissbrauch: Externe hohe Temperatur oder interne lokale Überhitzung.

• Elektrischer Missbrauch: Überladung, Tiefentladung oder externer Kurzschluss.

2. Wärmebarriere-Technologie: Die „Firewall“, die die Ausbreitung von Katastrophen eindämmt

Die Hauptaufgabe der Wärmebarrierentechnologie besteht darin, den tödlichen Wärmeschock, den Hochtemperaturrauch und die Flammenstrahlung, die von einer außer Kontrolle geratenen Batterie freigesetzt werden, effizient abzufangen und den Weg der Wärmeübertragung zu benachbarten Zellen zu unterbrechen. Sein Wert liegt in:

• Schwächung der zerstörerischen Kraft des Feuers.

• Gewinnen Sie entscheidende Zeit für die Brandbekämpfung und Rettung.

• Maximierung des Schutzes der Personensicherheit.

Das derzeitige gängige Technologiesystem zum Schutz vor thermischem Durchgehen umfasst hauptsächlich drei Richtungen:

• Intelligente Überwachung und Kühlung: Echtzeitüberwachung des Batteriestatus, aktive Auslösung von Kühl- oder Brandbekämpfungsmaßnahmen bei Anomalien.

• Struktureller Schutz (physikalische Isolierung): Aufbau einer Isolationsbarriere (Schlüsselmaterialien) zwischen Zellen, um den Weg für die Ausbreitung von thermischem Durchgehen zu blockieren.

• Notfall-Brandbekämpfung: Schnelle Umsetzung einer effizienten Brandbekämpfung (z. B. Tauchwasserkühlung, Perfluorhexanon-Sprühen usw.), nachdem es zu einem thermischen Durchgehen gekommen ist.

In diesem Artikel wird hauptsächlich die Designtechnologie für Sicherheitsstrukturen vorgestellt, die verhindert, dass die von einer Thermal Runaway-Zelle erzeugte Wärme auf benachbarte Zellen übertragen wird, und so eine Kettenreaktion verhindert.

II. Haupttypen von Wärmedämmmaterialien

Derzeit häufig verwendete Wärmedämmstoffe für Energiebatterien sind flammhemmender Schaumstoff, Aerogel-Filzmaterialien, Glimmerplatten, keramisierbare Silikonkautschuk-Verbundwerkstoffe, flammhemmende Vergussmassen und Vakuumisolationsplatten. Die Zwischenzellen-Isolierplatte innerhalb eines Batteriemoduls ist eine Wärmeschutzvorrichtung, die zwischen einzelnen Zellen platziert wird und die Ausbreitung von thermischem Durchgehen von einer einzelnen Zelle auf das gesamte Batteriesystem wirksam verzögert oder blockiert. Im Allgemeinen muss es über die folgende Leistung verfügen:

1. Flammhemmender Schaum

Haupttypen: Polyurethanschaum (PU), EVA-Schaum, Silikonkautschuk usw.

Diese werden typischerweise aus den oben genannten Grundmaterialien durch spezielle Schäumverfahren hergestellt. Sie bieten eine gute Wärmedämmleistung und eine hervorragende Kompressibilität, wodurch sie die durch Zellzyklen erzeugten Expansionskräfte vollständig absorbieren können.

2. Aerogel-Filzmaterialien

Aerogele können in Bulk, Pulver und Film eingeteilt werden. Ihre hervorragende Wärmedämmleistung verdanken sie ihrer porösen Struktur.

Die Porengröße von Aerogel ist kleiner als die mittlere freie Weglänge der Luftmoleküle unter atmosphärischem Druck, daher sind die Luftmoleküle in den Poren nahezu stationär und vermeiden so eine konvektive Wärmeübertragung von der Luft.

Aerogel-Filzmaterialien, die aus SiO2-Aerogel als Kern hergestellt und mit Glasfasern oder Keramikfasern vermischt sind, haben einen Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten von nur 0,013–0,025 W/m·K.

Aerogel bietet die beste Isolationswirkung pro Volumeneinheit und sorgt außerdem für einen erheblichen Leichtgewichtseffekt (Aerogel hat eine extrem geringe Dichte und ist eines der leichtesten bekannten Feststoffmaterialien, das im Vergleich zu herkömmlichen Isolationsmaterialien eine 3- bis 8-fache Verdünnung und Gewichtsreduzierung bietet).

Obwohl die Wärmedämmleistung des Aerogels außergewöhnlich ist, ist seine Kompressionsverformung begrenzt und seine Puffer-/Absorptionskapazität ist immer noch unzureichend, wenn es darum geht, die während der Zellzyklen erzeugten Expansionskräfte zu bewältigen. Daher wird es im Allgemeinen in Verbindung mit Polsterschaum verwendet.

3. Glimmerplatte

Hauptzusammensetzung: Verbundstoff gepresst aus Glimmerpapier (90 %) und Silikonkautschuk (10 %).

Eigenschaften:

• Hochtemperaturbeständigkeit: Dauergebrauchstemperatur 500–850 °C, zeitweise bis 1050 °C.

• Isolierung: Durchschlagsfestigkeit ≥20 kV/mm, spezifischer Durchgangswiderstand >10¹⁴ Ω·cm.

• Mechanische Festigkeit: Biegefestigkeit >200 MPa, chemische Korrosionsbeständigkeit.

Einsatzort: Glimmerplatten werden üblicherweise zwischen dem Modul und der Gehäuseabdeckung verwendet, um zu verhindern, dass hochtemperaturiger Rauch, der nach einem thermischen Durchgehen der Zelle aus der Entlüftungsöffnung austritt, durch die Abdeckung schmilzt oder strukturelle Komponenten des Moduls beschädigt.

4. Flammhemmende Vergussmasse

Bei PACKs mit zylindrischen Zellen werden häufig auch flammhemmende Vergussmassen als Isoliermaterialien verwendet, da die größte Oberfläche der Zelle zylindrisch ist. Beispielsweise werden beim Power-Akkupack von Tesla Vergussmassen verwendet, um die Lücken zwischen zylindrischen Batterien zu füllen. Dies dient dazu, die Wärmeübertragung zwischen den Zellen zu verhindern, die Schlagfestigkeit zu verbessern und die thermische und mechanische Stabilität des Akkupacks insgesamt zu verbessern.

Hauptzusammensetzung: Grundmaterial, Härter, flammhemmende Zusätze, Füllstoffe (zur Verbesserung der Festigkeit und Verschleißfestigkeit).

Eigenschaften:

• Hervorragende Flammhemmung: Kann UL94 V-0 erreichen, verkohlt beim Verbrennen, um Sauerstoff zu isolieren.

• Gute elektrische Isolierung: Durchgangswiderstand ≥1×10¹⁵ Ω·cm, Spannungsfestigkeit ≥20 kV/mm.

• Hohe Klebkraft, gute Schlagzähigkeit, Hitzebeständigkeit.