Elektromobilität Gekühlte Akkus: Wie vertragen sich Dichtungsmaterialien und Kühlflüssigkeiten?

Laden mit hoher Leistung belastet die Batteriezellen von E-Autos. Neue Kühlkonzepte sollen das verhindern; erfordern jedoch neue Kühlmittel und Dichtungsmaterialien.

Immer mehr Elektroautos können an einer Schnellladesäule Energie tanken – mit einer Ladeleistung von mehreren hundert Kilowatt. Die Energiemenge, die dabei übertragen wird, ist zwei- bis dreimal so groß wie die Energiemenge, die in umgekehrter Richtung fließt – selbst unter Hochleistungsbedingungen, wenn etwa ein Elektro-Sportwagen über die Nordschleife des Nürburgrings rast.

Sind die Batteriezellen unzureichend gekühlt wirkt sich das negativ unter anderem auf die Leistungsaufnahme und die Lebensdauer der verbauten Akkus aus. Gängige Flüssigkeitskühlsysteme, die komplette Zellsysteme von außen kühlen, stoßen an ihre Grenzen. Die Automobilhersteller entwickeln daher zunehmend ein Konzept, bei dem die Zellen und ihre elektrischen Ableiter in das Kühlmedium einbettet sind: „Battery Immersion Cooling“: Das Medium umströmt die einzelnen Zellen direkt und führt die freigesetzte Wärme effektiv ab.

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Polymerwerkstoffen in Immersionskühlsystemen

Die in solchen Systemen verwendeten Kühlmedien haben andere chemische Eigenschaften als die bisher verwendeten Medien, führt der Zulieferer Freudenberg aus. Beispielsweise müssen sie wegen des direkten Kontakts mit den Zellen elektrisch isolierend sein. Die Automobilhersteller untersuchen mehrere, zum Teil neue Stoffklassen von Kühlmedien, die sich chemisch stark unterscheiden.

Dichtungselemente als wesentliche Komponenten solcher Kühlsysteme müssen in ihren chemischen Eigenschaften auf die Kühlmedien abgestimmt sein. Gleiches gilt für Komponenten wie Verbindungselemente, Zellabstandshalter und Medienspeicher. Um eine breite Datenbasis für konkrete Kundenanfragen zu erhalten, haben die Experten der Werkstoffvorentwicklung von Freudenberg Sealing Technologies in einer Studie die Eignung polymerer Werkstoffe für die in Immersionskühlsystemen eingesetzten Medien untersucht.

Die für den Zulieferer relevanten Materialien wurden verschiedenen Fluiden ausgesetzt. Getestet wurden unter anderem isoparaffinische Öle sowie Öle auf Esterbasis, die für die direkte Batteriekühlung spezifiziert und weit verbreitet sind. Neben den gängigsten Fluiden untersuchten die Materialexperten auch solche, an denen die Entwicklungsabteilungen der Fluidhersteller derzeit arbeiten.

Materialien und Fluide beeinflussen sich gegenseitig

„Die Erkenntnisse waren je nach Medium durchaus überraschend“, sagt Materialentwickler Tobias Möller. „Unsere Leitfragen waren: Welche Quellungen erzeugen die Fluide in den Polymermaterialien? Und umgekehrt, haben die Materialien Auswirkungen auf die Fluide?“

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Standardisierte Testkörper aus den Polymermaterialien wurden für eine definierte Dauer in die Fluide eingelagert. Um Langzeiteffekte zu berücksichtigen und die Einlagerung zu beschleunigen, lag die Temperatur erheblich höher als in Batteriesystemen üblich und erwünscht. Anschließend wurden physikalische Schlüsseleigenschaften der Testkörper bestimmt, die für die volle Funktionsfähigkeit einer Dichtung über ihre gesamte Lebensdauer ausschlaggebend sind, etwa Volumen, Gewicht, Rückstellverhalten, Reißdehnung und Härte.

Verhalten von polymeren Werkstoffen in Kühlkreisläufen

„Nun haben wir einen umfassenden Überblick, wie sich die getesteten Polymermaterialien in typischen Kühlkreisläufen verhalten“, fasst Boris Traber zusammen, Leiter der weltweiten Werkstoffvorentwicklung des Unternehmens. „Auch zu den Fluiden wissen wir jetzt detaillierter Bescheid.“ Die Dynamik im Automobilmarkt sei längst spürbar: Das Unternehmen werde immer häufiger zu „Immersion Cooling“ für Batteriesysteme kontaktiert.

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