Studie: Bessere Kühlung durch Aluminiumgehäuse

Autoren: Die Redaktion

Veröffentlicht am 11.03.2022

Aluminium ist ein äußerst vielseitiger Werkstoff und bietet ein hervorragendes Eigenschaftsprofil, das entscheidend zur Herstellung moderner Lithium-Ionen-Batteriezellen (LIB) mit hohem Energiegehalt beitragen kann. Dazu zählen etwa seine hohe elektrische wie thermische Leitfähigkeit, geringes Gewicht sowie hohe Umformbarkeit, Festigkeit und effiziente Recyclierbarkeit. Während sich die Industrie diese vorteilhaften Eigenschaften für prismatische und Pouch-LIB-Zellgehäuse bereits zunutze macht und Aluminium als Standardmaterial verwendet, basiert die Mehrzahl der zylindrischen Zellkonzepte immer noch auf vernickeltem Stahl (NPS).

Bessere Kühlung durch Aluminium

Mit zunehmender Zellgröße wird ein effizientes Wärmemanagement der Batteriezellen jedoch immer wichtiger. Aluminium-Zellgehäuse können dabei eine technisch überlegene Lösung für zylindrische Zellen im Vergleich zu NPS darstellen. Eine Studie unseres Partners Speira GmbH stellt ein 4680-Zellkonzept mit einem Aluminiumgehäuse vor, das auf einer neuartigen Materiallösung für Batteriezellgehäuse namens Speira ION cell basiert. Das Zellkonzept wurde in verschiedenen 3C-Schnellladeszenarien mittels thermischer Simulation getestet, die eine deutlich verbesserte Kühlleistung im Vergleich zu einer Referenz-LIB-Zelle mit dem üblicherweise verwendeten NPS-Zellengehäuse aufzeigen.

Materialdesign geht über Leitfähigkeit hinaus

Die folgenden Eigenschaften sind für eine erfolgreiche Anwendung entscheidend und bilden die Grundlage von Speira ION cell:

1. Festigkeit: Konkurrenzfähige volumetrische und gravimetrische Energiedichten erfordern hochfeste Materialien, um die Wandstärke so gering wie möglich zu halten und gleichzeitig höchste Sicherheitsstandards zu erfüllen.
2. Chemische Elektrolytverträglichkeit: Um der Korrosion keine Chance zu geben, müssen die Zellgehäuse gegen chemische Reaktionen mit dem Elektrolyten beständig sein.
3. Umformbarkeit: Hohe Grenzziehverhältnisse und kontrollierte Zipfelprofile sind der Schlüssel zu einem effizienten Napfziehen ohne übermäßige Werkzeugkosten oder Schrotterzeugung und zu einem zuverlässigen Umformvorgang.
4. Schweißeignung: Die Herstellung von Zellen kann Ultraschall- und Laserschweißen beim Tabschweißen und bei der Verbindung von Zellen umfassen. Auch Deckelkonstruktionen und Zellversiegelungsvorgänge können Laserschweißen erfordern.
5. Nachhaltigkeit: Die Batterie- und Automobilindustrie strebt minimale Treibhausgasemissionen und Abfallerzeugung an. Daher müssen die Gehäusematerialien für die Zellen auf einen hohen Recycling-Anteil und zuverlässige Kreislaufkonzepte ausgelegt sein. Speira ION cell für zylindrische Zellgehäuse ermöglicht einen Recycling-Anteil von bis zu 80 Prozent.