EP3963658A1 - Hitzeschild - Google Patents

Hitzeschild

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Publication number
EP3963658A1
EP3963658A1 EP20723341.2A EP20723341A EP3963658A1 EP 3963658 A1 EP3963658 A1 EP 3963658A1 EP 20723341 A EP20723341 A EP 20723341A EP 3963658 A1 EP3963658 A1 EP 3963658A1
Authority
EP
European Patent Office
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layer
heat
heat shield
battery
intumescent
Prior art date
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Pending
Application number
EP20723341.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Heribert Walter
Michael Maag
Tobias Fritz
Markus GRÄDLER
Jessica UHLEMANN
Thomas ÜBLER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Oerlikon Friction Systems Germany GmbH
Original Assignee
Oerlikon Friction Systems Germany GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Oerlikon Friction Systems Germany GmbH filed Critical Oerlikon Friction Systems Germany GmbH
Publication of EP3963658A1 publication Critical patent/EP3963658A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/65—Means for temperature control structurally associated with the cells
    • H01M10/658—Means for temperature control structurally associated with the cells by thermal insulation or shielding
    • H—ELECTRICITY
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    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/62—Heating or cooling; Temperature control specially adapted for specific applications
    • H01M10/625—Vehicles
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • Battery-powered vehicles are becoming increasingly popular as an environmentally friendly alternative to conventional vehicles with internal combustion engines.
  • Safety valves are provided in the battery housings which open when the cell pressure rises in order to be able to discharge the reaction gases form in the battery cells when they overheat. Together with the hot gases, a particle stream of solid decomposition products is carried away at high speed. These solid decomposition products form as a result of the melting of the current collectors, typically made of aluminum, and decomposition of the electrode coatings.
  • the pressure relief resulting from the valve opening leads to a sudden release of an easily inflammable gas-particle mixture with a temperature of initially 400 ° C to 700 ° C and a high speed of up to 400 m / sec. out of the cell.
  • the particle flow is up to 100 g in the first minute, depending on the cell size.
  • the escaping gas usually ignites in the air, so that the temperatures can quickly rise to 800 ° C to 1,400 ° C for approx. 30 to 60 seconds.
  • the burned-out cell then slowly cools down.
  • this object is achieved by a heat shield which is composed of several layers of different materials which, in combination, can meet the various requirements set out above that are placed on effective blow-out protection.
  • the heat shield according to the invention has a first layer made of a heat-resistant elastomer or a fiber composite with an elastomer matrix, which can compensate for the impact force of the particles hitting at high impact speed via elastic deformation and also prevents mechanical damage to the subsequent layers as a result of the impact of the particles.
  • This first layer is usually the layer that is closest to the battery cells.
  • a second layer made of a material with high temperature resistance, which can withstand temperatures of up to 1400 ° C for approx. 60 Can withstand seconds; a third layer made of an intumescent material which, when exposed to heat, exhibits a swelling or inflating behavior and, as a result of the inflation, forms an insulating layer which acts as a heat brake.
  • a carrier layer for the functional layers can be provided as the top layer to increase the stability of the stack.
  • the total thickness and thus the thickness of the individual layers of the heat shield composite is essentially determined by the space available. For use in electric vehicles, a total thickness of no more than 1.5 mm is generally desired.
  • the mean thickness of the individual layers is 0.3 mm with a variation between 0.2 mm and 0.5 mm.
  • a great advantage of the heat shield composite stack according to the invention is its very good 3D deformability. This means that the shield is well deformed and can therefore be adapted to the structural requirements and spatial circumstances of its place of use or intended use.
  • Figure 1 shows an arrangement of a heat shield according to the invention above a battery module
  • FIG 2 is an exploded view of the heat shield in Figure 1
  • Fillers can be used with which the heat dissipation within the layer 4 and the temperature resistance can be improved. Examples are graphite, hexagonal boron nitride (HBN), silicon carbide (SIC), aluminum hydroxide (ATH), metal particles, carbon fiber fabrics, C short cut fibers, C milled fibers, etc.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hitzeschild (1) zur Anwendung in Anlagen und Vorrichtungen, die mit Batterien betrieben werden, insbesondere für Elektro-Fahrzeuge, wobei der Hitzeschild (1) mindestens aus einer impaktabsorbierenden Schicht (4), einer Hitzeschutzschicht (5) aus einem hoch temperaturbeständigen Material, optional einer gasdichten wärmespreizenden Schicht (8), und einer Schicht (6) mit intumeszierenden Eigenschaften sowie einer Trägerplatte (7) für die Schichten zur Abschirmung, aufgebaut ist.

Description

Hitzeschild
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hitzeschild zur Anwendung in elektrischen Anlagen und Vorrichtungen, die mit Batterien, heutzutage üblicherweise Lithiumionenbatterien, betrieben werden. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Hitzeschilde für Elektrofahrzeuge.
Batteriebetriebene Fahrzeugen finden zunehmend Verbreitung als umweltschonende Alternative zu den herkömmlichen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren.
Für den Betrieb der Elektrofahrzeuge werden heutzutage in erster Linie wiederaufladbare Lithiumionenbatterien (LIBs) eingesetzt. Dafür werden mehrere Batteriezellen zu Modulen und diese zu Paketen zusammengefasst, die in das Fahrzeug eingebaut werden.
Ein Problem ist die Betriebssicherheit der Zellen und Zellpakete. Generell wird angestrebt, die Batteriezellen in einem Temperaturbereich zwischen 15 bis 35 °C zu halten, was durch entsprechendes Kühlen oder Heizen, je nach Betriebszustand des Batteriesystems, erreicht werden kann. In Extremfällen durch z. B. Überladen, Überhitzen oder Kurzschluss in einer Zelle, kann es zu dem sogenannten„Thermal Runaway“ kommen, einer unkontrollierbaren Erhitzung bis zum Brand und Explosion der Zellen. Dies ist ein kaskadierender Prozess, bei dem sich wechselseitig beeinflussende physikalische und chemische Prozesse gegenseitig aufschaukeln, was zu einem kontinuierlichen Temperaturanstieg in der Zelle führt. Dadurch werden insbesondere die Komponenten des Elektrolyten in Abhängigkeit ihres Siedepunkts in die Gasphase umgesetzt, was zu einem Druckanstieg in der Zelle führt.
Ein Elektrolyt ist aus unterschiedlichen Komponenten zusammengesetzt, wobei einige dieser Komponenten relativ niedrige Siedepunkte von lediglich 90,5 °C (Dimethylcarbonat, DMC) oder von etwas mehr als 100 °C (Ethylmethylcarbonat, EMC: 107,5 °C); Methylbutyrat, MB: 102 °C) aufweisen können.
In den Batteriegehäusen sind Sicherheitsventile vorgesehen, die sich bei steigendem Zelldruck öffnen, um so die Reaktionsgase ablassen zu können, die sich bei Überhitzung in den Batteriezellen bilden. Mit den heißen Gasen zusammen wird mit hoher Geschwindigkeit ein Partikelstrom aus festen Zersetzungsprodukten mitgerissen. Diese festen Zersetzungsprodukte bilden sich infolge des Schmelzen der Stromableiter, typischerweise aus Aluminium, und Zersetzung der Elektrodenbeschichtungen.
Die durch die Ventilöffnung entstehende Druckentlastung führt zu einer schlagartigen Freisetzung eines leicht entzündlichen Gas-Partikelgemisches mit einer Temperatur von zunächst 400 °C bis 700 °C und einer hohen Geschwindigkeit von bis zu 400 m/sec. aus der Zelle. Der Partikelstrom beträgt dabei je nach Zellgröße bis zu 100 g in der ersten Minute. Das austretende Gas entzündet sich in der Regel an der Luft, so dass die Temperaturen schnell bis auf 800 °C bis 1.400 °C für ca. 30 bis 60 Sekunden ansteigen können. Danach setzt ein langsames Abkühlen der ausgebrannten Zelle ein.
Die extreme Hitze und hohe Impaktgeschwindigkeit des Gas- und Partikelstroms stellen ein hohes Sicherheitsrisiko und eine große Herausforderung für thermische Isolationsmaterialien dar.
Für den Einsatz derartiger Batteriesysteme in Fahrzeugen ist es daher unbedingt erforderlich, den Batteriedeckel und somit indirekt den Fahrgastraum vor den extrem hohen Temperaturen und der Aufprallwucht des Partikelstroms zu schützen, um die Sicherheit von Passagieren zu gewährleisten.
Üblicherweise wird ein Hitzeschutz oberhalb des Sicherheitsventils der Zelle oder allgemein oberhalb der Zellen, z. B. als Modulabdeckung, oder direkt unterhalb, bzw. im Verbund mit dem Batteriedeckel eingesetzt, dessen Aufgabe in erster Linie der Schutz des über dem Batteriesystem liegenden Fahrgastraums vor einer hohen thermischen Belastung ist. Ziel ist es die Temperatur, die im Fall eines „Thermal Runaways“ auf den Fahrzeugboden einwirkt, möglichst gering zu halten, idealerweise unterhalb von 200 °C, und einen direkten Flammenzutritt zu verhindern. Weiter ist es erforderlich, die Aufschlagkraft der Partikel in Folge der hohen Impaktgeschwindigkeit abzufangen, um so Beschädigungen, insbesondere des Fahrgastraums, zu verhindern. Ein Hitzeschild muss daher mindestens drei Funktionalitäten erfüllen können, um effektiv wirksam zu sein:
1. Er muss den Partikelimpakt bei Temperaturen von 700 °C bis 1400 °C absorbieren können.
2. Er muss bei voranschreitenden Blow-Out eine hohe Temperaturbeständigkeit bis zu Temperaturen von 1000°C bis 1400 °C über mindestens 120 Sekunden aufweisen; und
3. er muss die beim Blow-out entstehenden hohen Temperaturen soweit ableiten können, dass die Temperaturen auf der der Batterie abgewandten Seite des Hitzeschildes, das heißt auf der Seite auf der in einem Fahrzeug der Fahrgastraum liegt, 400 °C nicht überschreiten, und idealerweise Werte von weniger als 200 °C eingehalten werden können.
Ein weiteres Erfordernis für den Einsatz z. B. in Elektrofahrzeugen, ergibt sich aus dem begrenzten zur Verfügung stehenden Raum. So sollte der Hitzeschild möglichst wenig Raum beanspruchen, dennoch aber den erforderlichen Schutz bieten können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Hitzeschild gelöst, das aus mehreren Schichten verschiedener Materialien zusammengesetzt ist, die in Kombination die vorstehend aufgeführten unterschiedlichen Anforderungen erfüllen können, die an einen effektiven Blow-out-Schutz gestellt werden.
Der erfindungsgemäße Hitzeschild weist eine erste Schicht aus einem hitzebeständigen Elastomer oder einem Faserkomposit mit Elastomermatrix auf, das die Aufprallwucht der mit hoher Impaktgeschwindigkeit auftreffenden Partikel über elastische Verformung kompensieren kann und zudem eine mechanische Beschädigung der darauffolgenden Schichten infolge des Einschlags der Partikel verhindert. Diese erste Schicht ist üblicherweise die Schicht, die den Batteriezellen am nächsten liegt.
Es folgen eine zweite Schicht aus einem Material mit Hochtemperaturbeständigkeit, das auch Temperaturen von bis 1400 °C für ca. 60 Sekunden standhalten kann; eine dritte Schicht aus einem intumeszierenden Material, das unter Hitzeeinwirkung ein aufquellendes bzw. aufblähendes Verhalten aufweist und infolge des Aufblähens eine Isolierschicht ausbildet, die als Hitzebremse wirkt.
Als eine bevorzugte Ausführungsform kann zwischen zweiter und dritter Schicht eine wärmespreizende Schicht angeordnet sein, die die aus der zweiten Schicht kommende Wärme über eine größere Fläche verteilen kann und somit die intumeszierende Schicht über eine größerer Fläche thermisch belastet, wodurch der intumeszierende Effekt verstärkt werden kann.
Zudem kann zur Erhöhung der Stabilität des Stapels als oberste Schicht eine Trägerschicht für die Funktionsschichten vorgesehen sein.
Die Länge und Breite der Schichten richtet sich nach den Abmessungen der Batterieanordnung unter Berücksichtigung der Flugbahn eines Gas- und Partikelstroms bei einem Gasausbruch aus den Ventilen.
Die Gesamtdicke und damit die Dicke der einzelnen Schichten des Hitzeschild- Komposits ist im Wesentlichen durch den zur Verfügung stehenden Raum vorgegeben. Für den Einsatz in Elektrofahrzeugen ist in der Regel eine Gesamtdicke von nicht mehr als 1 ,5 mm gewünscht.
Ausgehend von einer anzustrebenden Gesamtdicke des Hitzeschild-Komposits von 1 ,5 mm liegt die mittlere Dicke der einzelnen Schichten bei 0,3 mm mit einer Schwankung zwischen 0,2 mm und 0,5 mm.
Die Dicke der einzelnen Schichten ist zweckmäßigerweise durch ihre Funktion im Stapel bedingt. Beispielsweise liegt die Dicke der Hitzeschutzschicht eher im größeren Bereich und die Dicke der wärmespreizenden Schicht eher im niedrigeren Bereich.
Bei Bedarf können die Schichten oder einzelne Schichten miteinander vernäht sein, um z.B. ein unbeabsichtigtes Ablösen zu verhindern. So hat es sich als günstig erwiesen, die intumeszierende Schicht mit der darunter und / oder darüber angeordneten Schicht zu vernähen, um eine Ablösung infolge einer Aufblähung zu verhindern. Als Nähmaterial können hitzebeständige Fäden verwendet werden wie sie aus dem Brandschutz bekannt sind. Beispiele sind Aramidfäden, wie sie zum Beispiel unter der Produktbezeichnung Kevlar® oder Nomex® vertrieben werden.
Ein großer Vorteil des erfindungsgemäßen Hitzeschild-Kompositstapels ist seine sehr gute 3D-Verformbarkeit. Dies bedeutet, dass der Schild gut verformt und somit an die Strukturanforderungen und räumlichen Begebenheit seines Einsatzortes bzw. Eiinsatzzweckes anpassbar ist.
Nachstehend wird die vorliegende Erfindung einschließlich Ausgestaltung und Zusammensetzung der einzelnen Schichten unter Bezugnahme auf die anliegenden Figuren näher erläutert, wobei die Figuren Beispiele von Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Hitzeschilds zeigen.
Es zeigen:
Figur 1 eine Anordnung eines erfindungsgemäßen Hitzeschilds oberhalb eines Batteriemoduls,
Figur 2 eine Explosionsdarstellung des Hitzeschilds in Figur 1 ,
Figur 3 eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Hitzeschilds, und
Figur 4 ein Diagramm mit einem Vergleich des Temperaturverlaufs auf der der batteriezugewandten Seite und der batterieabgewandten Seite des Hitzeschilds über die Zeit im Falle eines Batterieversagens.
Die impaktabsorbierende Schicht ist die Schicht des Hitzeschild-Komposits, die der Batterieanordnung am nächsten liegt. Sie wird daher auch als„erste“ oder „unterste“ Schicht des Stapels bezeichnet. In der Anordnung nach Figur 1 befindet sich der Hitzeschild 1 oberhalb der Fläche eines Batteriemoduls 2, die Sicherheitsventile 3 aufweist. Versagt das Batterieensemble z.B. infolge eines Brandes, entweicht das sich bildende heiße Gas zusammen mit den sich gleichfalls bildenden Partikeln aus Zersetzungsprodukten durch die berstenden Sicherheitsventile 3 in Richtung Hitzeschild 1.
Der Gas- und Partikelstrom ist in Figur 1 durch eine dunkle strichförmige Wolke angedeutet, die aus dem Sicherheitsventil 3 in Richtung Hitzeschild 1 aufsteigt.
Der Hitzeschild 1 bremst die Impaktkraft des heißen Gas- und Partikelstromes, der mit hoher Geschwindigkeit auf die Unterseite des Hitzeschildes 1 auftrifft, und schützt zugleich die der Batterie abgewandte Seite, z. B. in Fahrzeugen die Seite mit Fahrgastraum, vor den hohen Temperaturen.
Figur 2 zeigt den Schichtaufbau des in Figur 1 dargestellten Hitzeschilds 1.
Der Hitzeschild 1 ist aus mehreren Schichten aus unterschiedlichen Materialien aufgebaut, die in Kombination einerseits die Aufprallwucht des heißen Gas-und Partikelstroms kompensieren und andererseits Wärme ableiten, so dass die dem heißen Strom entgegengesetzte Seite des Hitzeschilds 1 vor den hohen Temperaturen auf der Auftreffseite des Hitzeschilds 1 geschützt ist.
Die erste Schicht 4 besteht aus einem hochtemperaturbeständigen Elastomer mit impaktabsorbierenden Eigenschaften, das durch elastische Verformung den Impakt des mit hoher Geschwindigkeit auftreffenden Gas-und Partikelstroms kompensieren und zugleich zunächst den hohen thermischen Beanspruchungen bis ca. 400 °C bis 450 °C standhalten kann. Erfindungsgemäß wird diese erste Schicht 4 daher auch als„impaktabsorbierende Schicht“ bezeichnet.
Beispiele für geeignete Elastomere sind Silikonelastomere z.B. Fluor-Vinyl-Methyl- Silikonkautschuk (FVMQ), Methyl-Phenyl-Silikonkautschuk (PMQ), Methyl- Phenyl-Vinyl-Silikonkautschuk (PVMQ), Methyl-Silikonkautschuk, Methyl-Vinyl- Silikonkautschuk (VMQ), Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM), Styrol- Butadien-Kautschuk (SBR), Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Naturkautschuk (NR), Butylkautschuk, Isobuten-Isopren-Kautschuk (IIR), und Isopren-Kautschuk (IR).
Als besonders wirksame Ausführungsform können in diese Elastomerschicht Mineralfasern eingearbeitet sein. Geeignete Beispiele sind Basaltfaser-- oder Silicatfasergewebe mit Flächengewichten von 100 bis 600 g/m2.
Hauptzweck der impaktabsorbierenden Schicht 4 ist es die zu Beginn sehr hohe Partikelbeladung des auftreffenden Gas- und Partikelstroms abzufangen. Diese sehr hohe Belastung durch den Partikelimpakt zu Beginn führt im allgemeinen zu einem zumindest teilweisen Abtrag der Schicht 4. Da jedoch die Partikelbeladung nach dem ersten Auftreffen deutlich abnimmt, wird ein ausreichender Schutz der weiteren Schichten durch die nachfolgende hitzeabsorbierende Schicht 5 sichergestellt.
Die anschließende zweite Schicht 5 dient als Hitzeschutz vor den extremen Temperaturen während der Hochtemperaturphase des unkontrollierten Gasausbruchs. Sie muss für einen effektiven Schutz eines Fahrgastraums höchsten thermischen Beanspruchungen von Temperaturen bis zu 1400 °C über ca. 60 Sekunden standhalten können. Erfindungsgemäß wird diese zweite Schicht 5 daher auch als„Hitzeschutzschicht“ bezeichnet.
Entsprechend besteht sie aus einem Material, das eine hohe
Temperaturbeständigkeit hat.
Beispiele für derartige hochtemperaturbeständige Materialien sind Glimmermaterialien, Basaltfaser-Komposite, oxidkeramische Komposite, Silicafaserkomposite.
Hitzeschutzschicht 5 schützt zugleich die nachfolgenden Schichten vor einer Beschädigung durch Parti kelimpakt für den Fall, dass Partikel nicht ausreichend durch die erste Schicht 4 abgefangen werden können.
Zwischen der Hitzeschutzschicht 5 und der intumeszierenden Schicht 6 ist, wie in Figur 2 gezeigt, vorzugsweise eine wärmespreizende Schicht 8 vorgesehen. Die wärmespreizende Schicht 8 dient zur Verteilung der Wärme über eine größere Fläche, um die thermische Flächenlast des Hitzeschilds zu reduzieren.
Es ist von Vorteil, wenn diese Schicht, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, auch über möglichst starke anisotrope thermische Eigenschaften verfügt, so dass die von der wärmespreizenden Schicht 8 kommende Wärme über eine größere Fläche verteilt in die nachfolgend angeordnete Schicht 6 mit intumeszierenden Eigenschaften eingeleitet wird, und sich die Schicht 6 mit intumeszierenden Eigenschaften zeitgleich großflächig aufschäumen kann und so eine durchgehende Isolierschicht ausbilden kann.
Weiterhin ist es günstig, wenn die wärmespreizende Schicht 8 möglichst Gas dicht ist, um so den intumeszierenden Effekt der Schicht 6 zu unterstützen. Die Gasdichtigkeit verhindert, dass die blähenden Gase, die sich bei Aktivierung der intumeszierenden Schicht 6 bilden, über die wärmespreizende Schicht 8 entweichen können, und so nicht mehr für das Aufblähen der Schicht 6 zur Verfügung stehen.
Beispiele für geeignete Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit und den gewünschten starken anisotropischen thermischen Eigenschaften für die Ausbildung der wärmespreizenden Schicht 8 sind z. B. Graphitfolien, Carbonfasern, keramische Folien auf Basis von hexagonalen Bornitrid (HBN), wobei Graphitfolie besonders bevorzugt ist.
Die intumeszierende Schicht 6 ist aus einem intumeszierenden Material gebildet oder enthält ein intumeszierendes Material. Bei Hitzeeinwirkung bläht sich diese Schicht auf und bildet eine isolierende Schicht als zusätzlichen thermischen Schutz aus.
Es war bekannt als thermische Isolierschicht mineralische Vliese, Kohlenstoff oder Glasvliese bzw. Filze zu verwenden, die jedoch aufgrund ihrer generell höheren Schichtdicke die Gesamtdicke des Hitzeschildes und damit dessen Raumbedarf erhöhen. Im Gegensatz dazu können die erfindungsgemäß eingesetzten intumeszierenden Materialien in nur dünnen Schichten aufgetragen werden, die sich im Bedarfsfall bei Hitzeeinwirkung aufblähen, z. B. indem sie nicht brennbare blähende Gase freisetzen, wie z. B. Stickstoff, Kohlendioxid oder Ammoniumgase.
Intumeszierende Materialien wie sie auch erfindungsgemäß eingesetzt werden können, sind generell aus dem Flammschutz bekannt. Beispiele sind Blähgraphit, Schichtsilikate auf Basis von Aluminiumsilikat-Tonmineralien, wie Tonminerale aus der lllitg ruppe, etc.
Diese intumeszierenden Materialien werden üblicherweise in eine Polymermatrix eingebettet, die unter Einwirkung der herrschenden hohen Temperaturen verkohlt oder verglast und möglichst schnell eine harte Oberfläche bildet. Beispiele für Polymermaterialien für die Matrix sind Acrylharze, Epoxidharze, Melaminharze, Ethylen-Vinyl-Acetat, etc.
Die Komposite aus intumeszierenden Material und Matrixmaterial können zu dünnen Schichten verarbeitet werden, wofür gängige Technologien eingesetzt werden können, wie z. B. Siebdruck, Aufrakeln, Aufbringen dünner Folien usw.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung können die intumeszierenden Komposite aus intumeszierenden Material und Matrixmaterial in eine Tragstruktur eingebracht werden. Hierdurch kann die mechanische Steifigkeit verbessert werden. Zudem können bei Bedarf größere Schichtdicken und folglich eine größere Blähwirkung erzielt werden.
Bei den Tragstrukturen handelt es sich um offene oder geschlossene Hohlkammerstrukturen. Beispiele sind Wabenstrukturen, wobei die Geometrie der Waben je nach Bedarf wählbar ist, und offenporige, mit Harz verstärkte Vliese und Filze, usw.
Ein intumeszierender Effekt kann auch durch Verwendung von Harzsystemen und deren thermische Zersetzung erzielt werden Hierzu können unter anderem Si- Harze, Elastomere, Epoxidharze, etc. verwendet werden. Als besonders günstig hat sich eine Kombination aus Hitzeschutzschicht 5, Gas dichter wärmespreizender Schicht 8 und intumeszierender Schicht 6 erwiesen. Wie vorstehend beschrieben, verhindert die Gasdichtigkeit der Schicht 8 ein Entweichen der sich bildenden blähenden Gase bei Aktivierung der Schicht 6, wobei die Hitzeschutzschicht 5 die Wärmespreizende Schicht 8 vor einer mechanischen Beschädigung und Beeinträchtigung der Gasdichtigkeit durch Partikel des Gas- und Partikelstroms schützt.
Zusätzlich kann die intumeszierende Schicht 6 mit einer darunter- und/oder darüber angeordneten Schicht vernäht sein, um ein Ablösen der Schicht 6 durch die blähenden Gase, die gebildet werden, zu vermeiden. Beispielsweise kann in der in Figur 2 gezeigten Ausführungsform die Schicht 6 mit der wärmespreizenden Schicht 8 und / oder einer nachfolgenden Trägerplatte 7 vernäht sein. Als Nahtmaterial können die vorstehend genannten Aramidfasern eingesetzt werden.
Den oberen Abschluss des erfindungsgemäßen Hitzeschild-Kompositstapel 1 bildet eine Trägerplatte 7, die die weiteren Schichten mechanisch stützt.
Die Trägerplatte 7 kann ein Glasfaser-Komposit, Carbonfaser-Komposit, Basaltfaser-Komposit, SMC (Sheet Moulding Compound)-Komposit oder eine glimmerbasierte Platte sein. Es können auch mechanisch belastbare Kunststoffe mit ausreichend hoher Temperaturbeständigkeit für die Trägerplatte 7 verwendet werden.
Zusätzlich kann der erfindungsgemäße Hitzeschild-Kompositstapel 1 zur weiteren mechanischen Stabilisierung noch mit einer dünnen Lage aus Glasseide oder einem anderen Material mit entsprechender mechanischer und thermischer Belastbarkeit ummantelt sein.
Der impaktabsorbierenden Elastomerschicht 4 können je nach Bedarf für eine gezielte Einstellung der Materialeigenschaften Füllstoffe zugesetzt werden.
Die Einstellung von Materialeigenschaften von Polymeren durch Zusatz von Füllstoffen und die Auswahl geeigneter Füllgrade sind dem Fachmann bekannt. Es können Füllstoffe verwendet werden, mit denen die Wärmeableitung innerhalb der Schicht 4 sowie die Temperaturbeständigkeit verbessert werden können. Beispiele sind Graphit, hexagonales Bornitrid (HBN), Siliziumcarbid (SIC), Aluminiumhydroxyd (ATH), Metallpartikel, Carbonfasergewebe, C- Kurzschnittfasern, C-gemahlene Fasern, usw.
Es können Füllstoffe zugesetzt werden, die die Verkohlung, Verglasung, und Intumeszieren der Schicht 4 im Hochtemperaturbereich unterstützen, wie z. B. Aluminiumhydroxyd (ATH), Magnesiumhydroxyd (MGH, Mg(OH)2), Roter Phosphor, Oxide wie Borax (Na2[B40s(0H)4] x 8 H2O), Antimonoxid (Sb20s), Blähgraphit, Tonminerale aus der lllitg ruppe, etc.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung können in der impaktabsorbierenden ersten Schicht 4 wärmespreizende Füllstoffe vorgesehen sein. Wärmespreizende Füllstoffe unterstützen der Verteilung der Wärme des heißen Gas- und Partikelstroms über die gesamte Fläche der ersten Schicht 4 und sorgen so für eine thermische Entlastung insbesondere der Stelle, auf die der heiße Gas- und Partikelstrom als erstes auftrifft.
Ein Beispiel für eine Ausgestaltung durch Zusatz von wärmespreizenden Füllstoffen zur Schicht 4 ist in Figur 3 dargestellt, wobei die wärmespreizenden Füllstoffe 9 als Muster aus Sechsecken dargestellt sind, die über die Fläche verteilt angeordnet sind. Es folgen, wie in der Ausgestaltung nach Figur 2, eine hochtemperaturbeständige Schicht 5, eine wärmespreizende Schicht 8, eine intumeszierende Schicht 6 und die Trägerplatte 7.
BEISPIEL
Es wurde der Temperaturverlauf eines erfindungsgemäßen Hitzeschilds gemessen und der Verlauf auf der Seite, die der Batterieanordnung am nächsten liegt (impaktabsorbierende Schicht 4), dem Verlauf auf der Seite, die von der Batterieanordnung am weitesten entfernt liegt (Trägerplatte 7) gegenübergestellt.
Der Aufbau des Hitzeschild-Kompositstapels war in der Reihenfolge von untersten Schicht 4 bis zur obersten Schicht 7 wie folgt: Impaktabsorbierende Schicht 4: Faserverbund aus Basaltfasergewebe mit einem Flächengewicht von 400 g/m2 mit Elastomermatrix (Shore A 25/40), Dicke 0,3 mm, Hitzeschutzschicht 5: Faserverbund aus Silicatfasergewebe mit einem Flächengewicht von 300 g/m2 und Elastomermatrix, Dicke 0,3 mm,
Wärmespreizende Schicht 8: Graphitfolie, Dicke 0,2 mm,
Intumeszierende Schicht 6: Dicke 0,4 mm, aus einem Elastomermaterial, das sich bei Temperaturen um 300 °C zersetzt,
Trägerplatte 7: Dicke 0,3 mm,
wobei die Schicht 6 mit Schicht 8 mit einem Aramidfaden in X- und Y-Richtung in der Form miteinander vernäht waren, dass 50 mm x 50 mm große Felder entstanden.
Das Vernähen verhindert eine partielle Ablösung der wärmespreizenden Schicht 8 und der Trägerschicht 7 durch die gebildeten Blähgase.
Das Ergebnis ist im Diagramm in Figur 4 gezeigt.
Während die Temperatur auf der Seite mit impaktabsorbierender Schicht 4 (Temp Front) auch nach 120 Sekunden noch deutlich über 1000 °C lag, betrug sie auf der Rückseite (Trägerplatte 7) lediglich 340 °C.
Dieses Ergebnis zeigt, dass mit dem erfindungsgemäßen Hitzeschild- Korn positstapel im Fall eines„Thermal Runaways“ mit Anfangstemperaturen von 1200 °C die Temperaturen auf der Rückseite des Hitzeschilds auch über einen Zeitraum von 120 Sekunden in einer Größenordnung von lediglich 340°C gehalten werden können und so ein signifikanter Schutz auf dieser Seite, z. B, einer Fahrgastkabine eines Fahrzeugs, gewährleistet werden kann.
Bezugszeichenliste
1. Hitzeschild
2. Batterie
3. Berst- oder Sicherheitsventil
4. impaktabsorbierende erste Schicht
5. hochtemperaturbeständige Schicht (Hitzeschutzschicht)
6. intumeszierende Schicht (Isolierschicht)
7. Trägerplatte
8. wärmespreizende Schicht
9. wärmespreizende Füllstoffe

Claims

Ansprüche
1. Hitzeschild (1) geeignet für Batterien oder Batterieanordnungen (2),
wobei der Hitzeschild (1) einen Schichtaufbau aufweist aus einer ersten Schicht (4) auf Basis eines temperaturbeständigen Elastomers zur Impaktabsorption, einer zweiten Schicht (5) aus einem hochtemperaturbeständigen Material als Hitzeschutz, die Schicht (6) mit intumeszierenden Eigenschaften zur Ausbildung einer thermischen Isolierung, und einer Trägerplatte (7).
2. Hitzeschild nach Anspruch 1 ,
wobei der Hitzeschild (1) zusätzlich eine wärmespreizende Schicht (8) zwischen der zweiten Schicht (5) und der Schicht (6) mit intumeszierenden Eigenschaften aufweist.
3. Hitzeschild nach Anspruch 1 oder 2,
wobei der Schichtstapel mit einer Hülle aus einem Material mit mechanischer und thermischer Belastbarkeit ummantelt ist.
4. Hitzeschild nach Anspruch 3,
wobei die Hülle aus Glasseide gebildet ist.
5. Hitzeschild nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4,
wobei die impaktabsorbierende Schicht (4) Füllstoffe zur Verbesserung der Wärmeableitung und/oder Temperaturbeständigkeit, zur Unterstützung der Verkohlung, Verglasung und/oder Intumeszenz, und/oder wärmespreizende Füllstoffe (9) enthält.
6. Hitzeschild nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5,
wobei die Schicht (6) mit intumeszierenden Eigenschaften aus einer Trägerstruktur gebildet ist, die ein intumeszierendes Material enthält.
7. Hitzeschild nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei zumindest die Schicht (6) mit intumeszierenden Eigenschaften mit einer darunter und/oder darüber angeordneten Schicht vernäht ist.
8. Verwendung eines Hitzeschildes nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in einer batteriebetriebenen Vorrichtung.
9. Verwendung nach Anspruch 8,
wobei die batteriebetriebene Vorrichtung ein Kraftfahrzeug ist.
10. Verwendung nach Anspruch 8 oder 9,
wobei die Batterie eine Lithiumionenbatterie ist.
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