Anforderungen an elektrische Isolierwerkstoffe in industriellen Batterie-Packs (Übersicht)

In der industriellen Batterietechnik jenseits des weitgehend durch Massenproduktion und etablierte Standards dominierten Automobil-Marktes haben sich die Anforderungen an elektrische Isolierwerkstoffe massiv verschärft. Im Fokus stehen industrielle Hochleistungsanwendungen, bei denen Batterie-Packs unter deutlich härteren, unregelmäßigeren und anwendungsspezifischeren Bedingungen betrieben werden. Hierzu zählen unter anderem fahrerlose Transportsysteme (FTS), Gabelstapler, Bergbau-Fahrzeuge, Hafenkrane und spezialisierte Nutzfahrzeuge.

Elektrische Anforderungen

Durch die Verwendung moderner Leistungshalbleiter auf Basis von Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) werden Isolationsmaterialien mit extrem steile Spannungsflanken konfrontiert, die konventionelle Isolationssysteme (bei IGBT-Umrichter) an ihre physikalischen Grenzen bringen. Die technische Herausforderung liegt dabei vor allem in der Beherrschung von Teilentladungen. Diese entstehen durch transiente Überspannungen in mikroskopischen Lufteinschlüssen und führen zu einer irreversiblen Erosion des Polymers. Um diesem Schadensprozess zu begegnen, wird u.a. eine minimale Durchschlagfestigkeit von über 20 Kilovolt pro Millimeter gefordert. Aktuelle Lösungen setzen auf hochwertige Polyimidfolien und blasenfreie, entgaste Vergussmassen aus Epoxidharz oder Silikon, um Fehlstellen weitestmöglich zu vermeiden und bei geringer Materialstärke eine hohe Durchschlagfestigkeit zu erzielen. Daneben spielt durch die steigenden Frequenzen die Permittivität und der Verlustfaktor von Isolierwerkstoffen eine zunehmende Rolle.

Die Betriebsumgebungen in der Industrie, die oft durch Feuchtigkeit und Staub gekennzeichnet sind, stellen zudem hohe Anforderungen an die Kriechstromfestigkeit und den Widerstand gegen Ionenmigration. Unter Gleichspannungsbelastung können Metallionen wandern und leitfähige Dendriten bilden, was langfristig zu Lichtbögen führt. Werkstoffe müssen daher einen Comparative Tracking Index (CTI) von über 600 aufweisen und eine hohe Hydrolysebeständigkeit besitzen, um auch nach intensiver Feuchtigkeitsalterung ihre Isolationswirkung beizubehalten. In der Praxis werden hierfür z.B. speziell stabilisierte PBT-Compounds und PA66-GF30-Blends eingesetzt, wobei die Oberflächen zusätzlich durch Conformal Coatings versiegelt und Kriechstrecken durch Rippengeometrien konstruktiv verlängert werden.

Angesichts der hohen Schaltfrequenzen gewinnt auch die EMV-Schirmung und die funktionale Integration an Bedeutung. Durch die steilen Schaltimpulse der Inverter müssen Isolationsschichten zunehmend Schirmfunktionen übernehmen, um Störungen in Steuerkreisen zu minimieren. Mehrschichtige Folien mit Aluminiumkaschierung erreichen hier Dämpfungswerte von über 40 Dezibel. Zukunftsweisende Entwicklungen wie die Smart Skins des KIT integrieren zudem Leiterbahnen direkt in die Isolation, um den Isolationswiderstand lokal zu überwachen oder über Kapazitätsänderungen den mechanischen Druck der Zellen zu messen. Diese multifunktionalen Werkstoffe wandeln die ehemals passive Isolation in ein aktives Element des Batteriemanagementsystems um, was die Betriebssicherheit und Diagnosefähigkeit industrieller Hochleistungs-Batterie-Packs signifikant erhöht.

Thermal Management und Thermal runaway

Ein weiterer kritischer Punkt ist die thermische Stabilität im Kontext des sogenannten Thermal Runaway. Die Isolation muss im Fehlerfall als Barriere fungieren, die Temperaturen von über 800 Grad Celsius für mindestens fünf Minuten standhält, um eine thermische Propagation auf benachbarte Zellen zu verhindern. Gleichzeitig wird für den Normalbetrieb eine hohe thermische Leitfähigkeit verlangt, um die Wärme effizient zum Kühlsystem abzuführen. Dieser werkstoffphysikalische Widerspruch wird derzeit durch den Einsatz von Intumeszenz-Beschichtungen gelöst, die bei Hitze aufschäumen, sowie durch wärmeleitende Gap-Filler auf Silikonbasis, die mit keramischen Trennplatten (Durchbrennschutz) kombiniert werden. Forschungseinrichtungen wie das Fraunhofer IFAM und die RWTH Aachen arbeiten zudem an thermoplastischen Zellhaltern, die diese Funktionen strukturell integrieren und auf klassische Vergussmassen verzichten.

Mechanische Belastungen

Neben Vibrationen im laufenden Betrieb sind thermomechanische Spannungen eine zusätzliche Belastungsquelle, da unregelmäßige Lastzyklen zu erheblichen Temperaturhüben führen. Die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von Aluminiumbauteilen und Isolationsmaterialien können Scherkräfte erzeugen, die zur Delamination führen. Schon kleinste Luftspalte erhöhen den thermischen Widerstand sprunghaft und gefährden die Kühlung (neben der Gefahr von Teilentladungen im Luftspalt). Die Lösung besteht im Einsatz von Low-Modulus-Materialien wie hochflexiblen Silikonelastomeren, die Spannungen elastisch kompensieren können. Diese Werkstoffe müssen eine hohe Haftfestigkeit über Hunderte von Thermocycling-Tests bewahren und gleichzeitig dem mechanischen Schwellen der Zellen im Ladezyklus standhalten.

Reinigung, Reparatur und Recycling

Ein neues Feld der Materialentwicklung betrifft die Reparierbarkeit und das Design for Disassembly. Im Gegensatz zum PKW-Markt ist in der Industrie der Zellentausch oder eine Kapazitätsanpassung wirtschaftlich relevant. Herkömmliche, unlösbare Vergussverbindungen werden daher zunehmend kritisch hinterfragt. Aktuelle Ansätze erproben thermoplastische Elastomere, die bei definierten Temperaturen reversibel erweichen, oder den Einsatz von Clips und Nut-Feder-Systemen für vibrationsarme Anwendungen. Das Ziel ist zudem eine Isolationsverbindung, die im Betrieb stabil bleibt, aber am Ende des Lebenszyklus durch externe Reize wie UV-Licht oder Wärme gezielt gelöst werden kann, um ein sortenreines Recycling zu ermöglichen.

Ein weiterer Aspekt bei dem Einsatz von Werkstoffen ist die chemische Beständigkeit gegenüber z.B. Reinigungs- oder Schmiermitteln. Je nach Anwendung und Dichtigkeit des Gehäuse kann es zu Belastungen durch Feuchtigkeit, agressive Gase und Flüssigkeiten oder Staubablagerungen kommen. Isolationswerkstoffe dürfen unter solchen Belastungen nicht z.B. aufquellen, ihre Isolationsfähigkeit und ihre mechanische Integrität verlieren und müssen im Fall von Staub und Feuchtigkeit eine hohe Resistenz gegenüber der Ausbildung von Kriechwegen aufweisen.

Stationäre Inselsysteme und Kleinanwendungen: Passive Sicherheit und Umwelteinflüsse

Bei stationären Anwendungen im Inselbetrieb, wie sie bei Funkmasten oder entlegenen Messstationen vorkommen, steht die Langzeitstabilität unter unkontrollierten klimatischen Bedingungen im Vordergrund. Da diese Systeme oft über Jahrzehnte wartungsfrei in Containern oder Außenschränken betrieben werden, müssen die Isolationswerkstoffe eine außergewöhnliche Beständigkeit gegen hygrothermische Alterung aufweisen. Die zyklische Aufnahme und Abgabe von Luftfeuchtigkeit kann bei Standard-Isolatoren zu Mikro-Rissen führen, die unter der permanenten DC-Spannungsbelastung die Kriechstromfestigkeit herabsetzen. Für solche Anwendungen werden verstärkt Werkstoffe mit extrem niedriger Wasseraufnahme und hoher Hydrolysebeständigkeit eingesetzt, da ein Versagen der Isolation in abgelegenen Gebieten immense Logistikkosten für die Instandsetzung nach sich zieht. Hier kommen oft spezialisierte Vergussmassen auf Polyurethanbasis zum Einsatz, die auch bei extremen Minustemperaturen nicht verspröden und die Zellen gleichzeitig vor Vibrationen durch Windlasten an den Masten schützen.

Eine völlig andere Herausforderung stellt sich bei Kleinanwendungen wie Elektrorädern, Rollern oder mobilen Powerpacks für Solaranlagen. In diesen Systemen wird aus Kosten- und Gewichtsgründen konsequent auf eine aktive Kühlung (Lüfter oder Wasserkühlung) verzichtet. Die gesamte im Betrieb entstehende Wärme muss passiv über das Gehäuse und die Isolationsschichten abgeführt werden. Dies erhöht den Druck auf die Wärmeleitfähigkeit der elektrischen Isolation massiv. Werkstoffe in diesen Packs müssen einerseits die Zellen mechanisch fixieren und elektrisch trennen, andererseits als „thermische Brücke“ zum Außengehäuse fungieren. Da diese Geräte im Alltag oft mechanischen Schocks durch Stürze oder Kopfsteinpflaster ausgesetzt sind, darf das Isolationsmaterial trotz hoher Füllstoffgrade für die Wärmeleitfähigkeit nicht spröde sein. Die Industrie setzt hier verstärkt auf thermisch leitfähige Klebefolien oder elastische Gap-Filler, die eine Doppelfunktion als Stoßdämpfer und Wärmeleiter übernehmen.

Besonders kritisch ist bei mobilen Powerpacks und E-Kleinfahrzeugen die thermische Trägheit. Da keine aktive Regelung die Wärme abführt, akkumuliert sich die Hitze bei intensiver Nutzung. Die Isolationswerkstoffe müssen daher so dimensioniert sein, dass sie auch bei dauerhaft erhöhten Betriebstemperaturen von 60 bis 70 Grad Celsius keine z.B. Weichmacher verlieren oder ausgasen. Bei mobilen Solaranlagen kommt die UV-Belastung hinzu. Hier werden UV-stabilisierte Polymere verwendet, die auch nach jahrelanger Sonnenexposition ihre dielektrische Integrität behalten. Der Trend geht in diesem Segment zu multifunktionalen Gehäuseschalen aus flammgeschützten Thermoplasten, die durch eingearbeitete Kühlrippen und direkt umspritzte Isolationsbereiche die Anzahl der Bauteile reduzieren und so die Fehleranfälligkeit minimieren.