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Die Erfindung betrifft einen Wärmeleitkleber nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung eine Batterie, in welcher ein Wärmeleitkleber zum Einsatz kommt. Die Erfindung betrifft außerdem ein Fahrzeug mit einer derartigen Batterie.
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Wärmeleitkleber sind prinzipiell aus dem Stand der Technik bekannt. Sie bestehen im Allgemeinen aus wenigstens einem Kunstharz sowie anorganischen wärmeleitenden Füllstoffen. Je nachdem, ob eine elektrische Leitfähigkeit der Wärmeleitkleber akzeptabel ist oder nicht bestehen diese Füllstoffe aus metallischen Materialien oder aus elektrisch nicht leitenden keramischen oder mineralischen Materialien.
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Ein typischer Einsatzzweck für derartige Wärmeleitkleber liegt im Bereich von Batterien. Hier werden Batteriemodule oder Batterieeinzelzellen häufig über derartige Wärmeleitkleber untereinander und gegenüber einem Kühler, beispielsweise einer gekühlten Bodenplatte oder dergleichen, fixiert. Der Wärmeleitkleber stellt dann die thermische Anbindung des Batteriemoduls oder der Batterieeinzelzellen an den Kühler sicher, sodass die einzelnen Batteriemodule oder Batterieeinzelzellen über den Kühler, welcher beispielsweise von einem flüssigen Kühlmedium durchströmt wird, temperierbar sind. Es kann also Abwärme abgeführt oder im Bedarfsfall auch Wärme zur Beheizung zugeführt werden.
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Neben einer optimalen thermischen Anbindung an einen Kühler zur Temperierung der Batterieeinzelzellen ist bei derartigen Aufbauten auch der Schutz benachbarter Batterieeinzelzellen oder Batteriemodule von einer Überhitzung im Falle eines thermischen Durchgehens einer der Batterieeinzelzellen oder eines der Batteriemodule relevant. In diesem Zusammenhang kann grundlegend auf die Batterie in der
EP 2 244 318 B1 verwiesen werden. Diese zeigt Schichten im Batteriegehäuse, welche sich bei Überhitzung aufblähenden. Derartige intumeszierende Materialien können gemäß der
JP 2011 023 348 A auch in den Zellgehäusen von Batterieeinzelzellen zum Einsatz kommen.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin einen verbesserten Wärmeleitkleber und eine Batterie mit einem solchen Wärmeleitkleber anzugeben, welcher neben einer guten thermischen Anbindung von Elementen untereinander auch eine thermische Isolierung durch die Verklebung und/oder Lösbarkeit der Verklebung unter bestimmten Umständen ermöglicht. Außerdem ist es die Aufgabe eine bevorzugte Verwendung für eine solche Batterie anzugeben.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Wärmeleitkleber mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Außerdem löst eine Batterie mit den Merkmalen im Anspruch 4 die Aufgabe. Auch hier ergeben sich vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Auch ein Fahrzeug mit einer derartigen Batterie löst die Aufgabe.
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Der erfindungsgemäße Wärmeleitkleber umfasst wenigstens ein Kunstharz sowie anorganische wärmeleitende Füllstoffe, wie dies auch aus dem Stand der Technik bekannt ist. Erfindungsgemäß ist es nun so, dass in den Wärmeleitkleber zusätzlich als weitere Füllstoffe thermisch expandierbare Mikrokugeln vorhanden sind, welche ab einer festgelegten Grenztemperatur expandieren. Solche thermisch expandierbare Mikrokugeln sind prinzipiell aus dem Stand der Technik bekannt. Rein beispielhaft kann hierzu auf ein Herstellungsverfahren gemäß der
EP 1 952 880 B1 verwiesen werden. Solche thermisch expandierbaren Mirkokugeln bestehen typischerweise aus einer polymeren Hülle mit einem darin befindlichen Material, welches ab einer bestimmten Grenztemperatur aufschäumt und dadurch die Mikrokugel in ihrem Volumen expandiert. Zumeist besteht die Hülle aus einem thermoplastischen Polymer. Sie ist gefüllt mit einem Kohlenwasserstoff als aufschäumendem Material zur Volumenexpansion.
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Die Mirkokugeln sind im nicht expandierten Zustand entsprechend klein und haben beispielsweise einen Durchmesser in der Größenordnung von 10 bis 30 µm gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Wärmeleitklebers. Sie behindern damit die Wärmeleitfähigkeit des Wärmeleitklebers nicht oder allenfalls minimal. Der Kleber kann also wie herkömmlicher Wärmeleitkleber mit annähernd identischen Eigenschaften eingesetzt werden.
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Im expandierten Zustand, wenn also die vorgegebene Grenztemperatur überschritten worden ist, vergrößert sich das Volumen typischerweise um das 50 bis 100-fache, sodass die Mikrokugeln nun einen Durchmesser in der Größenordnung von 50 bis 150 µm aufweisen. In dieser Größe und mit dem entsprechenden Volumen behindern sie nun die Wärmeleitfähigkeit des Wärmeleitklebers sehr wohl, sorgen also für eine deutliche Verringerung der Wärmeleitfähigkeit über den Wärmeleitkleber hinweg. Darüber hinaus ist es so, dass durch die Expansion der thermisch expandieren Mikrokugeln oberhalb ihrer Grenztemperatur eine Volumenvergrößerung des Wärmeleitklebers stattfindet, so dass die Strecke über welche die Wärme geleitet wird, sich ebenfalls vergrößert. Hierdurch lässt sich ab einer bestimmten Temperatur die Wärmeleitfähigkeit irreversibel stark reduzieren, sodass der der erfindungsgemäße Wärmeleitkleber als Sicherheitsfeature eingesetzt werden kann.
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Darüber hinaus ist es so, dass durch die Expansion der thermisch expandieren Mikrokugeln oberhalb ihrer Grenztemperatur und die damit einhergehende Volumenvergrößerung die Haftfähigkeit einer Schicht aus Wärmeleitkleber deutlich beeinträchtigt wird, sodass zusätzlich zu der Verschlechterung der Wärmeleitung auch die Hafteigenschaften deutlich reduziert werden, was in bestimmten Situationen ebenfalls von Vorteil sein kann.
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Die bevorzugte Anwendung eines derartigen Wärmeleitklebers liegt nun bei einem Einsatz im Bereich von Batterien, und hier insbesondere im Bereich von Lithium-Ionen-Batterien, welche in größerem Maßstab, beispielsweise als Traktionsbatterien für Fahrzeuge oder als Speicherbausteine für Fotovoltaikanlagen oder dergleichen, eingesetzt werden.
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Bei derartigen Batterien ist es nun so, dass diese eine Mehrzahl von Batterieeinzelzellen oder Batteriemodulen, welche ihrerseits dann die Batterieeinzelzellen umfassen, aufweisen. Die Batterieeinzelzellen oder die Batteriemodule sind dabei über einen Wärmeleitkleber direkt oder mittelbar über eine dazwischen liegende wärmleitende Batteriegehäusewand mit einem Kühlelement verklebt. Das Kühlelement kann also in dem Batteriegehäuse, oder wenn das Batteriegehäuse aus wärmeleitendem Material, beispielsweise einem Blech, aufgebaut ist, auch außerhalb des Batteriegehäuses angeordnet sein. Die Batterieeinzelzellen oder Batteriemodule sind dann über den Wärmeleitkleber mit dem Kühler oder der zwischen dem Kühler und innenliegenden Gehäusewand des Batteriegehäuses verklebt. Der Wärmeleitkleber ist dabei gemäß dem erfindungsgemäßen Aufbau der Batterie mit thermisch expandierbaren Mikrokugeln versehen. Es kann sich also beispielsweise um den zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Wärmeleitkleber handeln.
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Insbesondere in derartigen Batterien entstehen nun die entscheidenden Vorteile. Wird die Grenztemperatur, ab welcher die Mikrokugeln expandieren, so festgelegt, dass sie oberhalb der typischen Betriebstemperatur der Batterie liegt, dann wird im regulären Betrieb keine Expansion der Mikrokugeln stattfinden. Diese bleiben also in ihrem nicht expandierten Zustand, in welchem sie die thermische Leitfähigkeit des Wärmeleitklebers nicht oder nicht wesentlich beeinflussen. Der Aufbau kann also wie bisher betrieben werden.
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Kommt es nun zu einem thermischen Durchgehen einer Batterieeinzelzelle oder eines Batteriemoduls, dann wird dieses die vorgegebene Grenztemperatur überschreiten. Die thermisch expandierbaren Mikrokugeln werden also in dem Wärmeleitkleber, zumindest in dem Bereich, in dem die Batterieeinzelzelle oder das Batteriemodul aufgrund des thermischen Durchgehens sich übermäßig erhitzt, expandieren Damit wird erreicht, dass sich die betroffene Batterieeinzelzelle bzw. das betroffene Batteriemodul selbst von der Kühlung entkoppelt und seine Wärme nicht mehr direkt an benachbarte Batteriemodule oder Batterieeinzelzellen, sei es über eine Gehäusewand oder den Kühler bzw. das in ihm strömende Kühlmedium, weitergibt. Dies dient zur Erhöhung der Sicherheit, da im Falle eines thermischen Durchgehens ein Übergreifen auf benachbarte Batterieeinzelzellen oder Batteriemodule verhindert oder zumindest zeitlich hinausgezögert werden kann.
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Gleichzeitig wird sich im Bereich des zu heiß gewordenen Batteriemoduls oder der zu heiß gewordenen Batterieeinzelzelle die Haftfähigkeit des Wärmeleitklebers entsprechend reduzieren, sodass dieses sich von dem Kühler oder der Gehäusewand wegbewegt und dadurch die Wärmeleitfähigkeit aufgrund des nunmehr vergrößerten Abstands hin zu der Gehäusewand oder dem Kühler weiter verringert.
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Dieses Anheben und Reduzieren der Haftkraft des Klebers lässt sich auch im Falle der notwendigen Reparatur der Batterie nutzen. Müssen einzelne Batteriemodule oder Batterieeinzelzellen, welche über den Wärmeleitkleber verklebt sind, ausgetauscht werden, so kann durch das Kühlmedium oder eine andere Wärmequelle gezielt eine Temperatur herbeigeführt werden, welche oberhalb der Grenztemperatur liegt, sodass die thermisch expandierbaren Mirkokugeln entsprechend expandieren. Durch die verringerte Haftfähigkeit des Klebers, zumindest in dem Bereich, in dem die Mirkokugeln expandiert sind, lässt sich nun das betroffene verklebte Batteriemodul deutlich einfacher ausbauen, als wenn dies bei vollfunktionsfähigem Kleber im Bereich der Klebestelle gelöst werden müsste.
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Wie oben bereits erwähnt lässt sich eine derartige Batterie in verschiedenen Anwendungen einsetzen. Eine besonders günstige Anwendung sieht den Einsatz als Traktionsbatterie in einem Fahrzeug vor, da hier eine hohe Wartungsfreundlichkeit und eine verbesserte Sicherheit von ganz entscheidendem Vorteil sind.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Wärmeleitklebers und der erfindungsgemäßen Batterie ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend anhand eines Ausschnitts aus einer Batterie erläutert wird.
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Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung durch einen Ausschnitt aus einer Batterie im regulären Betrieb; und
- 2 eine Darstellung analog zu der in 1 in einer Situation, in welcher eine Temperatur über einer Grenztemperatur aufgetreten ist.
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In der Darstellung der 1 ist ein Ausschnitt aus einer Batterie 1 zu erkennen, welche aus mehreren Batterieeinzelzellen oder Batteriemodulen besteht. Rein beispielhaft ist hier eine Batterieeinzelzelle 2 oder ein Batteriemodul 2 in einem Ausschnitt dargestellt. Zur Vereinfachung wird nachfolgend von einer Batterieeinzelzelle 2 gesprochen, auch ein Batteriemodul soll von dieser Wortwahl jedoch eingeschlossen sein. Unterhalb dieser Batterieeinzelzelle 2 befindet sich nun eine Batteriegehäusewand 3, welche beispielsweise aus einem Bodenblech eines in seiner Gesamtheit nicht dargestellten Batteriegehäuses in der hier gezeigten Stelle besteht. Unterhalb der Batteriegehäusewand 3 befindet sich ein Kühler 4, beispielsweise ein von einem flüssigen Kühlmedium durchströmter Kühler, welcher zur Temperierung der Batterieeinzelzelle 2 in der Batterie 1 zum Einsatz kommt. Die Anordnung von Batteriegehäusewand 3 und Kühler 4 könnte genauso gut umgekehrt sein, insbesondere für den Fall, dass die Batteriegehäusewand 3 eben nicht aus einem Blech oder einem anderen gut wärmeleitfähigen Material besteht, sondern beispielsweise aus einem Kunststoff oder dergleichen.
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Entscheidend ist hier nun die Verbindung zwischen der Batterieeinzelzelle 2 und dem Kühler 4, sei es direkt oder wie hier dargestellt mittelbar über die Batteriegehäusewand 3. Hierzu dient eine Schicht aus einem Wärmeleitkleber 5. Ihre Schichtdicke H0 ist dabei möglichst dünn gewählt, um eine möglichst gute thermische Anbindung zu gewährleisten, da der Wärmeleitkleber 5 zwar Wärme leitet, typischerweise nicht jedoch so gut wie metallische Gehäusewände oder dergleichen. Andererseits sollte die Schichtdicke Ho so groß gewählt werden, dass potenzielle Toleranzen zwischen den Batterieeinzelzellen 2 und dem Kühler 4 oder Batteriegehäusewand 3 entsprechend ausgeglichen werden, was insbesondere für einen Aufbau gilt, bei welchem mehrere der Batterieeinzelzellen 2 oder Batteriemodule 2 nebeneinander mit ein und derselben Gehäusewand 3 und/oder ein und demselben Kühler 4 verklebt werden.
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Der Wärmeleitkleber 5 besteht beispielsweise aus einem Kunstharz oder einem Kunstharzgemisch, in welchem wärmeleitende Partikel als Füllstoffe vorliegen. Diese Füllstoffe können beispielsweise metallischer oder keramischer bzw. mineralischer Natur sein und stellen die Wärmeleitfähigkeit sicher. Metallische Füllstoffe werden dabei nur eingesetzt, wenn auch eine elektrische Leitfähigkeit vorliegen darf, bei einer Batterie ist dies eher nicht der Fall, sodass hier typischerweise keramische oder mineralische Füllstoffe zum Einsatz kommen. Zusätzlich zu diesem herkömmlichen Aufbau des Wärmeleitklebers 5 weist der hier eingesetzte Wärmeleitkleber 5 nun zusätzlich thermisch expandierbare Mikrokugeln 6 auf. Diese thermisch expandierbaren Mikrokugeln 6, von welchen nur einige mit einem Bezugszeichen versehen sind, sind dabei entgegen der hier gewählten schematischen Darstellung in der Praxis außerordentlich klein. Typischerweise weisen sie einen Durchmesser in der Größenordnung von 10 bis 30 µm, meist in etwa 20 µm auf. Sie bestehen aus einer polymeren Hülle, welche typischerweise aus einem thermoplastischen Polymer besteht. Die Hülle ist dabei zwischen 3 und 7 µm dick. Die thermisch expandierbare Mikrokugel 6 ist mit einem aufschäumenden Medium gefüllt, meistens einem Kohlenwasserstoff, welcher ab einer bestimmten Grenztemperatur aufschäumt und damit die thermisch expandierbare Mikrokugel 6 entsprechend vergrößert. Oberhalb der Grenztemperatur erhält sie dann ein 50 bis 100-faches größeres Volumen, der Durchmesser wird also beispielsweise von den angesprochenen 20 µm auf ca. 100 µm ansteigen, die polymere Hülle wird entsprechend gedehnt und verringert ihre Dicke auf wenige zehntel µm. Diese Mikrokugeln 6 bleiben dabei auch nach einer erneuten Abkühlung expandiert, da die thermoplastische Hülle eine plastische Deformation erfährt, sodass die thermische Expansion ein einmaliger bzw. irreversibler Effekt ist.
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Dieser Effekt lässt sich nun zur Erhöhung der Sicherheit nutzen. Die Grenztemperatur wird typischerweise um einen gewissen Betrag oberhalb der höchsten zu erwartenden Betriebstemperatur der Batterie 1 gewählt. Tritt diese Temperatur also auf, dann ist von einem thermischen Durchgegen der Batterie 1 bzw. einzelner Batterieeinzelzellen 2 auszugehen. In dieser Situation liegt also ein Sicherheitsproblem von. 2 zeigt nun mit einer analogen Beschriftung zur Darstellung in 1 eine solche Situation. Die entsprechende Grenztemperatur ist überschritten worden. Die expandierbaren Mikrokugeln 6 haben sich ausgedehnt und ihr Volumen in dem oben angesprochenen Maß vergrößert. Dies hat nun mehrere gewünschte Effekte zur Folge. Einerseits wird durch die entstehenden Hohlräume des aufgeschäumten Materials innerhalb der Mikrokugeln 6 die Wärmeleitfähigkeit des Wärmeleitklebers 5 gezielt verschlechtert, was in einer solchen Situation gewünscht ist, um eine Ausbreitung der thermisch kritischen Bedingungen auf benachbarte Batterieeinzelzellen 2, beispielsweise über die Batteriegehäusewand 3 und/oder dem Kühler 4, einzudämmen. Darüber hinaus hat sich durch die Expansion die Dicke H0 der Schicht des Wärmeleitklebers 5 auf eine größere Dicke H0 +ΔH vergrößert worden. Auch diese Vergrößerung des Abstandes zwischen der Batterieeinzelzelle 2 und der Batteriegehäusewand 3 bzw. dem Kühler 4 dient zur weiteren Reduzierung des Wärmeübergangs zwischen der Batterieeinzelzelle 2 und der Batteriegehäusewand 3 bzw. dem Kühler 4.
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Die hier vorgerufene Beeinträchtigung ist dabei irreversibel, was für das Ansprechen im Falle eines thermischen Durchgehens jedoch unerheblich ist, da es hier nur darum geht, die Situation möglichst ohne sicherheitskritische Probleme zu bewältigen. Die Batterie 1 selbst muss im Anschluss an solche Probleme ohnehin ausgetauscht oder instandgesetzt werden.
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Die Vergrößerung der Dicke des Wärmeleitklebers 5 von H0 auf H0 +ΔH bewirkt also wie bereits angedeutet ein Abheben der Batterieeinzelzelle 2 von der Batteriegehäusewand 3 bzw. dem Kühler 4. In der Darstellung der 2 ist diese Bewegung durch den mit 7 bezeichneten Pfeil entsprechend angedeutet. Außerhalb eines thermischen Notfalls lässt sich dies nun ebenfalls nutzen. Soll die Batterie 1 gewartet und die Batterieeinzelzelle 2 bzw. das Batteriemodul 2 ausgetauscht werden, muss bisher der Wärmeleitkleber 5 aufwändig zerstört werden, um die Batterieeinzelzelle 2 demontieren zu können. Beim Einsatz eines Wärmeleitklebers 5 mit thermisch expandierbaren Mirkokugeln 6 ist es nun möglich, diese thermisch expandierbaren Mikrokugeln 6 quasi gezielt auszulösen, um den Klebeverbund zu schwächen und die Batterieeinzelzelle 2 leichter ausbauen zu können. Hierfür muss lediglich Kühlmedium mit einer Temperatur oberhalb der Grenztemperatur durch den Kühler 4 geleitet werden oder der Bereich des Wärmeleitklebers 5 wird anderweitig erhitzt, beispielsweise über angelegte elektrische Heizelemente.
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Erreicht die Temperatur des Wärmeleitklebers 5 hierdurch einen Wert oberhalb der Grenztemperatur für das thermische Expandieren der Mikrokugeln 6, werden diese expandieren und der in 2 dargestellte Zustand stellt sich ein. Dabei wird die Klebeverbindung durch den Wärmeleitkleber 5 gezielt geschwächt, sodass die gemäß dem Pfeil 7 durch die Vergrößerung der Dicke der Schicht von Ho auf H0 +ΔH des Wärmeleitklebers 5 angehobene Batterieeinzelzelle 2 nun leicht demontiert werden kann. Im Anschluss hieran muss, wie bisher auch üblich, der restliche Wärmeleitkleber 5 entfernt werden, bevor die gewartete oder erneuerte Batterieeinzelzelle 2 über neuen Wärmeleitkleber 5 wieder auf der Batteriegehäusewand 3 fixiert werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2244318 B1 [0004]
- JP 2011023348 A [0004]
- EP 1952880 B1 [0007]
