Kunststoffe und die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien

Kunststoffe und die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien

Aufbau der Batterie in einem Elektroauto. Welche Eigenschaften haben Lithium-Ionen-Batterien? Geschäumtes Polypropylen EPP als Batterieisolierung.

Die Hersteller von Elektroautos entscheiden sich in der Regel für Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion), weil diese im Vergleich zu anderen Technologien eine höhere Kilometerleistung ermöglichen. Obwohl in diesem Fall kein Memory-Effekt auftritt und die Lebensdauer solcher Autobatterien hoch ist, sollten sie unter entsprechenden Bedingungen betrieben werden.

Lithium-Ionen-Batterien wurden erstmals Anfang der 1990er Jahre für die Versorgung von Kameras eingesetzt und haben sich seither rasant verbreitet. Ihr größter Vorteil gegenüber Wasserstoff- oder Nickel-Cadmium-Batterien ist die höhere Energiedichte. Das bedeutet, dass diese mehr Energie pro Kilogramm Zellmasse speichern können. Zudem hat diese Technologie noch erhebliches Entwicklungspotenzial – es wird geschätzt, dass solche Batterien in einem Jahrzehnt die zwei- bis dreifache Energiemenge von 300-350 Wh/kg werden speichern können. Gleichzeitig ist ihre Produktion relativ günstig. Lithium-Ionen-Batterien sind sehr langlebig und widerstandsfähig, jedoch können ungünstige Betriebs- oder Lagerbedingungen ihre Lebensdauer verkürzen oder sogar zu ihrem Ausfall führen. Sie sind besonders empfindlich gegenüber extremen Temperaturen, vor denen sie u.a. durch moderne Kühlsysteme und Komponenten aus innovativen Isolierschäumen aus expandiertem Polypropylen (EPP) , die in Autos eingebaut sind, geschützt werden.

Wie funktionieren Lithium-Ionen-Batterien? Der Aufbau der Batterie in einem Elektroauto 

Die in Batterien für Elektroautos verwendeten Lithium-Ionen-Zellen haben zwei Elektroden – eine positive und eine negative. Sie sind durch einen Elektrolyten in Form einer Flüssigkeit, eines Gels oder eines Feststoffs getrennt, dessen Funktion es ist, Ladungen zwischen ihnen zu übertragen. Die handelsüblichen Lithium-Ionen-Batterien können in der chemischen Zusammensetzung und im konstruktiven Aufbau variieren, aber in allen Fällen sind Lithium-Ionen der Ladungsträger. Ihre Hersteller arbeiten weiter an der Erhöhung der Energiedichte, der Erweiterung des Betriebstemperaturbereichs, der Verkürzung der Ladezeit und vor allem an der Sicherheit.

Das Ziel ist es, einen übermäßigen Anstieg der Temperatur des Elektrolyten zu verhindern. Dies wird durch spezielle Beimischungen, aktive Kühlsysteme im Auto oder innovative Isolatoren, die im Batteriebau verwendet werden, unterbunden. Um einer möglichen Gefahr vorzubeugen, werden in Elektroautos statt großer Batterien Kits mit bis zu mehreren tausend kleinen Zellen eingebaut, die von anderen Komponenten isoliert sind. Auf diese Weise kommt es auch bei Ausfall einer Zelle nicht zu einer weiteren Wärmeabgabe oder elektrischen Kurzschlüssen zwischen den einzelnen Zellen. Außerdem werden die Kits so im Auto montiert, dass sie kaum beschädigt werden können. 

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Wie sich die Lebensdauer der Batterie in einem Elektroauto verlängern lässt? 

Für die Lebensdauer von Batterien in Elektroautos werden im Allgemeinen 10 Jahre angenommen, was etwa 2500-3500 Ladezyklen entspricht. Je nach eingesetzter Technologie und der Art und Weise, wie sie genutzt wird, kann diese Zeit sogar noch länger sein. Zunächst einmal sollte die Batterie nicht vollständig entladen werden. Das Auto zieht nicht nur während der Fahrt, sondern auch im Stand Energie.

Da eine mehrmonatige Unterbrechung der Nutzung sogar zu einer Beschädigung der Batterie führen kann, sollte diese von Zeit zu Zeit geladen werden. Andererseits sollte die Lithium-Ionen-Batterie nicht zu 100 % geladen sein. Der empfohlene Ladezustand der Batterie liegt im Bereich von 20-80 %. Das Laden mit geringer Leistung wirkt sich positiv auf den Zustand der Batterie aus. Die Verwendung einer Schnellladestation für Elektroautos mit hoher Leistung verkürzt die Lebensdauer der Batterie.

Ein weiterer wichtiger Faktor ist die Temperatur – sowohl Hitze als auch Frost haben einen negativen Einfluss auf den Zustand einer Lithium-Ionen-Batterie. Der zulässige Temperaturbereich für ihren Betrieb reicht von 0 bis 45°C, wobei letzterer Wert 30°C nicht überschreiten sollte. Deshalb sind die in der Batteriekonstruktion verwendeten Isoliermaterialien so wichtig für ihren Zustand. Unter den sehr zukunftsträchtigen ist das geschäumte Polypropylen EPP hervorzuheben, das bereits heute sowohl als Rohstoff für die Herstellung von Schutzverpackungen für Batterien  als auch als Isoliermaterial in Batteriepacks eingesetzt wird.

Geschäumtes Polypropylen – innovative Batterieisolierung 

Die in Autos eingesetzten Lithium-Ionen-Batterien  sind sowohl thermisch als auch mechanisch empfindlich. Sie müssen daher unter Bedingungen gelagert, transportiert und betrieben werden, die eine möglichst lange Lebensdauer gewährleisten. Bei all diesen Anwendungen hat sich der Werkstoff Polypropylenschaum (EPP) besonders bewährt. Er hat sich als perfektes Produkt für die Erzeugung der Transportverpackung von Batterien erwiesen, da er über hervorragende thermische Isolationseigenschaften verfügt und den Inhalt effektiv vor mechanischen Beschädigungen schützt.

Die auf die Anforderungen der Automobilindustrie zugeschnittenen Komebac®-Verpackungen können in jeder Hinsicht an die Form und Abmessungen von Lithium-Ionen-Batterien angepasst und mit speziellen Schutzeinlagen versehen werden. Auf diese Weise sind die Batterien zu 100 % geschützt – nicht nur gegen das Einwirken von extremen Temperaturen während des Transports, sondern auch gegen Feuchtigkeit und Stöße. Der Werkstoff absorbiert Stöße perfekt, zersetzt und verformt sich nicht. All dies hat sich inzwischen in der Batterieproduktion durchgesetzt, als Rohstoff für die Herstellung von Autobatteriepacks . Heute werden daraus Trennwände für Batteriezellen, spezielle Isolierungen und Befestigungsschienen hergestellt. EPP-Schaum ist außerdem ein hervorragender elektrischer Isolator, der den unkontrollierten Stromfluss zwischen den Zielen und den Ausfall der Batterie wirksam verhindert.