Fanglu Shi Sanzhong Liu Fucai Hua
(Technologiezentrum, Fujian Supertech Advanced Materials Co., LTD. Xiamen, 361021)
Zusammenfassung: Isoliermaterialien sind unverzichtbare Schlüsselkomponenten in Batterie‑Thermomanagementsystemen. Spezielle Vakuumisolationspaneele (VIP) zeigen aufgrund ihrer hervorragenden Isolations‑ und Feuerwiderstandseigenschaften vielversprechende Anwendungsperspektiven zur Leistungssteigerung von Batteriesystemen. Dieser Beitrag stellt erstmals systematisch die wichtigsten Leistungsindikatoren von Metall‑VIP und ultradünnen VIP vor, führt Tests und Analysen zur Wärmeisolationsleistung sowie zu dynamischen Wärmeübertragungseigenschaften durch und vergleicht diese mit aktuellen Aerogel‑Filzprodukten. Das Material wird zur Isolierung von Batteriepacks eingesetzt und verbessert deren Anpassungsfähigkeit an niedrige Umgebungstemperaturen sowie deren Lebensdauer deutlich; zudem hemmt es die Ausbreitung eines thermischen Durchgehen der Batterie. Gleichzeitig zeichnet sich das Produkt durch ein hohes Kosten‑Nutzen‑Verhältnis aus. Die Ergebnisse zeigen, dass die neuartigen speziellen Vakuumisolationsprodukte im integrierten Design von Wärmeabfuhr, Isolierung und Brandschutz für Batterien und Energiespeichersysteme über deutliche Vorteile verfügen.
Schlüsselwörter: Spezielle Vakuumisolationspaneele; Wärmeleitfähigkeit; Wärmeleitfähigkeit; Batterie‑Thermomanagement; Thermisches Durchgehen
Autorenprofil: Fanglu Shi: (Date of Birth: July 12, 1962) Gender: Male Ethnicity: Han Native Place: Zhengning, Gansu Province Education: Master’s Degree Title: Senior Engineer Research Direction: Low-temperature Technology, Thermal Insulation Technology, Vacuum Technology and Its Application
0．IEinleitung
Das Aufkommen neuer Elektrofahrzeuge hat die durch herkömmliche Fahrzeuge verursachten Energie‑ und Umweltprobleme wirksam gelöst. Als Kernkomponente des Elektrofahrzeugs bestimmen die Lebensdauer und die Nutzungseffizienz der Batterie die Gesamtleistung des Fahrzeugs. Unter den Faktoren, die die Lebensdauer der Batterie beeinflussen, ist die Betriebstemperatur der wichtigste. Zu hohe oder zu niedrige Temperaturen können die Batterieleistung erheblich beeinträchtigen: Niedrige Temperaturen verringern die Effizienz von Laden und Entladen, während hohe Temperaturen die Lebensdauer der Batterie verkürzen. Gerät die Temperatur außer Kontrolle, kann dies zu Explosionen und anderen Sicherheitsunfällen führen. Daher ist es für die gesamte Branche von großer Bedeutung, sicherzustellen, dass die Batterie innerhalb eines sicheren Temperaturbereichs betrieben wird.
Insbesondere mit der steigenden Energiedichte der Batterien hat sich die Reichweite der Fahrzeuge rasch erhöht; gleichzeitig sind jedoch die Zuverlässigkeit und Sicherheit der Produkte zunehmend in den Vordergrund gerückt. Sicherheitsunfälle infolge eines thermischen Durchgehens der Batterie haben die Entwicklung neuer Energiefahrzeuge behindert. Obwohl Batterien vor dem Verlassen des Werks verschiedenen strengen Sicherheitsprüfungen unterzogen werden, um eine sichere Nutzung zu gewährleisten, lassen sich thermische Durchgeh-Unfälle dadurch dennoch nicht vollständig verhindern.
Das Funktionsprinzip neuer Energietypen beruht auf der Energieabgabe durch elektrochemische Reaktionen; diese Reaktion steht daher zwangsläufig in engem Zusammenhang mit der Temperatur des Batteriesystems. Zahlreiche Forscher haben detaillierte Modellierungs‑ und Simulationsstudien zu den thermischen Eigenschaften von Batterien sowie zu den Auswirkungen der Temperatur auf Batterieleistung und Lebensdauer durchgeführt [1]. So zeigte Sato [2] et al., dass bei einer Batterietemperatur über 50 °C sowohl die Entladungseffizienz als auch die Lebensdauer signifikant abnehmen; Khateeb [3] et al. wiesen darauf hin, dass bei Überschreitung des optimalen Betriebsbereichs der Temperatur im Batteriepack die Temperaturgleichmäßigkeit abnimmt, was zu einem thermischen Durchgehen und Brand‑Sicherheitsunfällen führen kann; Pesaran [4] et al. schlugen vor, die optimale Betriebstemperatur der Batterie im Bereich von 25–40 °C zu halten. Daher ist die Entwicklung effizienter Wärmeabfuhr‑ und Isolierungstechnologien sowie der Aufbau eines Batterie‑Thermomanagementsystems, das die Batterie innerhalb eines geeigneten Temperaturbereichs hält, entscheidend, um einen ordnungsgemäßen Betrieb zu gewährleisten und Sicherheitsunfälle zu vermeiden.
Die Technologie des Batterie‑Thermomanagements lässt sich je nach Verbrauch zusätzlicher Energie in passive und aktive Verfahren unterteilen. Auf der Grundlage der Unterschiede in den Wärmetransportmedien und den Wärmeaustauschmethoden kann das Thermomanagement weiterhin in Modi wie Luftkühlung, Flüssigkeitskühlung, Phasenwechselmaterialien (PCM) und Heatpipes eingeteilt werden.
Das thermische Management von Batterien umfasst nicht nur die Temperaturregelung des Batteriepakets, sondern auch die Isolierung bzw. Wärmeabfuhr zwischen den Zellen. Erstere steht stärker im Zusammenhang mit der Betriebsqualität und der Energieeffizienz des Batteriesystems, während letztere sich vor allem auf das thermische Durchgehen und die Temperaturausbreitung innerhalb der Batterie konzentriert und somit mit der Sicherheit verbunden ist. Hinsichtlich der Forschung zu Thermomanagement-Technologien für Lithiumbatterien wurden in der Literatur zahlreiche Kühl- und Wärmeaustauschmethoden ausführlich beschrieben [5]; Berichte zur Analyse der Eigenschaften von Isoliermaterialien im Rahmen des Thermomanagements sind jedoch selten. Tatsächlich spielen Isoliermaterialien beim thermischen Management von Batterien eine äußerst wichtige Rolle, wobei die jeweils relevanten Kennwerte je nach Anwendung variieren. Die Auswahl geeigneter Isoliermaterialien ist entscheidend, um das Niveau des Thermomanagements zu verbessern [6]. Darüber hinaus hat die rasante Entwicklung der neuen Energietechnologie für Batterien die Entwicklung neuer Isoliermaterialien oder Isolierstrukturen dringlicher gemacht und neue Anforderungen gestellt:
(1) Das thermische Durchgehen von Leistungsbatterien, verursacht durch elektrische Missbrauchsfälle, mechanische Beschädigungen, Kurzschlüsse usw., kann innerhalb kurzer Zeit große Wärmemengen freisetzen. Konventionelle Isoliermaterialien sowie Flüssigkeitskühlsysteme können dieses Problem nicht vollständig lösen.
(2) Traditionelle Fahrzeuge nutzen Abwärme, um im Fahrgastraum ein angenehmes Klima zu gewährleisten, ohne dabei zusätzliche Energie zu verbrauchen; dagegen erfordert das Thermomanagement neuer Energiefahrzeuge im Wesentlichen den Einsatz eigener Batterieenergie zur Aufrechterhaltung des Betriebs. Daher ist die Entwicklung hocheffizienter Isoliermaterialien, insbesondere solcher mit extrem niedriger Wärmeleitfähigkeit, besonders notwendig.
(3) Da die Marktanforderungen an die Energiedichte von Leistungsbatterien kontinuierlich steigen, besteht eine Lösung darin, bessere Isoliermaterialien einzusetzen, um die Zahl der Zellen im Batteriepaket zu erhöhen und so die Energiedichte sowie die Reichweite zu steigern – oder das Volumen des Batteriepakets zu reduzieren, um mehr Innenraum zu schaffen und ein komfortables Fahrerlebnis zu gewährleisten.
(4) Damit sich neue Energiefahrzeuge an unterschiedliche Umgebungsbedingungen anpassen können – insbesondere im kalten nördlichen Winter, wenn die Außentemperaturen häufig unter −10 °C fallen –, fällt es diesen Fahrzeugen schwer, bei Stillstand den für Leistungsbatterien erforderlichen normalen Temperaturbereich aufrechtzuerhalten. Dies kann zu einem Rückgang der Batteriekapazität und der Lebensdauer führen. Daher muss das Batteriesystem zuverlässige und effiziente Maßnahmen zur Wärmeisolierung ergreifen.
(5) Angesichts der durch Elektrofahrzeuge offengelegten Sicherheitsprobleme haben zuständige Ministerien und Kommissionen nacheinander mehrere verbindliche nationale Normen erlassen [7–9], die die Sicherheitsanforderungen weiter verschärft haben und klar festlegen, dass das Batteriesystem nach einem thermischen Durchgehen innerhalb von “5 Minuten” weder Feuer noch Explosionen entwickeln darf – was den Insassen eine entscheidende Zeit zum Verlassen des Fahrzeugs bietet. Jegliche Lösung gegen das thermische Durchgehen kommt daher ohne hochwertige Wärmeisoliermaterialien nicht aus.
1．Gängige Wärmeisoliermaterialien für das thermische Management von Batterien
Derzeit werden in der Leistungsbatterietechnologie häufig Schaumstoffe, Fasern, Aerogel-Decken sowie spezielle Vakuumisolierpaneele (VIP) eingesetzt; jedes dieser Materialien weist Vor- und Nachteile auf. Als Wärmeisoliermaterialien dienen sie vor allem anhand ihres Wärmeleitkoeffizienten, der ein zentrales Leistungsmerkmal darstellt. Abbildung 1 zeigt die Unterschiede der Wärmeleitkoeffizienten der vier gängigen Isoliermaterialien; bei gleicher isolierender Wirkung variiert zudem die erforderliche Dicke der Isolierung. Schaumstoffe und Faserprodukte verfügen über eine relativ schlechte Wärmeisolationsleistung und sind schwierig zu installieren, dafür jedoch kostengünstig. Das Aerogel‑Kompositvlies kombiniert ein neuartiges Aerogel‑Nanopulver mit Fasern. Das Produkt besitzt eine niedrige Wärmeleitfähigkeit und ist lediglich ein Zwei- bis Fünftel so dick wie herkömmliche Materialien. Zudem zeichnet es sich durch hervorragende Temperaturbeständigkeit, einen breiten Betriebstemperaturbereich von −196 °C bis 1000 °C sowie stabile Leistungseigenschaften aus. Dieses Produkt wurde bereits im Thermomanagement‑System neuer Energiespeicherbatterien eingesetzt [20]. Allerdings ist das leistungsstarke Aerogel‑Vlies relativ teuer. Da die Anforderungen an die Wärmeisolationsleistung in Thermomanagementsystemen weiter steigen, stellt auch deren weitere Verbesserung eine Herausforderung dar.
Abbildung 1: Wärmeisolationsleistung der vier gängigen Isoliermaterialien
Das Vakuumisolierpaneel (VIP) wird in Abbildung 2 dargestellt. Es handelt sich um eine neue Generation hocheffizienter Wärmeisoliermaterialien. Der Kern besteht aus Fasern oder Pulver, während eine hochbarrierehafte Beschichtung für luftdichte Vakuumbedingungen sorgt. Durch das effektive Abschirmen der Gaswärmeleitung mittels Vakuumierung wird eine ausgezeichnete Wärmeisolierung erreicht. Das Produkt weist einen äußerst niedrigen Wärmeleitkoeffizienten auf; seine isolierende Struktur ist kompakt und nur ein Achtel bis ein Zehntel so dick wie herkömmliche Materialien. Zudem nimmt es kein Wasser auf und ist beständig gegen Säure‑ und Alkalikorrosion. Das Produkt findet breite Anwendung in Haushaltsgeräten, der chemischen Industrie sowie im Bereich der neuen Energien. Die besonders niedrigen Wärmeleitfähigkeiten und Diffusionskoeffizienten der speziellen VIP‑Produkte bieten Möglichkeiten für kompakte Designs neuer Energiespeicherbatterien und erhöhen deren Sicherheit zusätzlich.
Abbildung 2. Vakuumisolationspaneel(VIP)
2．Leistung und Wärmeübertragungseigenschaften von Metall‑VIP und ultradünnem VIP
2.1 Aufbau und Wärmeisolationsleistung von Metall‑VIP
Metall‑VIP verwendet Aluminiumfolie oder Edelstahlfolie als Folienmaterial sowie Basaltfasern, hochsilikathaltige Oxide usw. als Kernelemente. Nach dem Vakuumieren wird das Produkt durch Schweißen versiegelt. Das Produkt zeichnet sich durch Beständigkeit gegenüber hohen und niedrigen Temperaturen, niedrige Wärmeleitfähigkeit, stabile Leistung, Durchstoßfestigkeit sowie feuerfeste Eigenschaften der Klasse A und Nichtbrennbarkeit aus. Es stellt neben hochsilikatischen Fasern und Aerogel‑Vlies ein weiteres bevorzugtes, hocheffizientes Wärmeisoliermaterial dar. Seine wichtigsten Kennwerte sind in Tabelle 1 aufgeführt.
| Tabelle 1: Hauptleistungsindikatoren des Metall‑VIP | |
| Zentrale Wärmeleitfähigkeit (25℃) | ＜3 mw/（m·k） |
| Grammgewicht (1,5 mm Dicke) | 1,3–2,0 kg/m2 |
| IIntegrale Leckrateprüfung | ≤10-10Pa·m3/s |
| Anwendbarer Temperaturbereich | -253–1000℃ |
(a) Prüfgerät zur Messung der thermischen Reaktion b) Schematische Darstellung des Prüfprinzips
Abbildung 3: Gerät zur Messung der Temperaturantwort
Um die nichtstationären Eigenschaften des Wärmeübertragungsprozesses im breiten Temperaturbereich von Metall‑VIP zu bewerten, wurden mithilfe der in Abbildung 3 gezeigten Prüfvorrichtung die Temperaturantworten der kalten und heißen Oberflächen gemessen. Bei konstant hohen Temperaturen von 200 °C, 400 °C und 600 °C auf der heißen Seite (Heizfläche) stieg die Temperatur der kalten Seite im Laufe der Zeit schrittweise an, wie in Abbildung 4 dargestellt, und erreichte jeweils 23,4 °C, 26,8 °C bzw. 123,1 °C. Unterhalb von 400 °C entsprach die Temperatur der kalten Seite nahezu der Raumtemperatur. Selbst bei einer hohen Temperatur von 600 °C zeigte das Metall‑VIP weiterhin eine hervorragende Wärmeisolationsleistung: Die Temperatur der kalten Seite betrug lediglich 123,1 °C, wodurch sich eine Temperaturdifferenz von 476,9 °C zwischen heißer und kalter Seite ergab. Das 8 mm dicke Metall‑VIP erweist sich somit als äußerst leistungsfähiges Wärmeisoliermaterial über einen breiten Temperaturbereich hinweg.
Abbildung 4: Temperaturantwortkurve der kalten Oberfläche der Probe
Das Innere des metallischen VIP ist mit hochtemperaturbeständigen Kernmaterialien gefüllt und vakuumiert, wodurch eine hervorragende Wärmeisolationsleistung in Richtung senkrecht zum metallischen VIP erzielt wird. Das äußere Ummantelungsmaterial besteht aus Edelstahlfolie. Der Wärmeübertragungsprozess dieser einzigartigen “Wärmeabfuhr – Wärmeisolierung – Wärmeabfuhr”-Struktur des metallischen VIP weist zweidimensionale Wärmeübertragungseigenschaften auf, wie in Abbildung (5) dargestellt. Den Ergebnissen der Thermografieabbildung (6) ist zu entnehmen, dass sich die Oberflächentemperatur des metallischen VIP mit dem Erwärmungsbereich als Zentrum schnell in alle Richtungen ausbreitet und abnimmt. In Richtung parallel zur Plattenoberfläche zeigt es eine gute Wärmeabfuhrwirkung. Wird das Ummantelungsmaterial als Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit wie Aluminiumfolie gewählt und an das Wärmeabfuhrsystem des thermischen Managements angeschlossen, so führt die ausgezeichnete Wärmeisolierung in Richtung senkrecht zur Plattenoberfläche dazu, dass der Wärmetransfer zwischen den Batteriezellen erheblich verringert wird. Dadurch wird die Temperaturdiffusion deutlich verzögert, die angesammelte Wärme kann effektiv über die parallele Plattenoberflächendirektion abgeführt und über das Wärmeabfuhrsystem abtransportiert werden, oder deren thermische Belastung wird wirksam reduziert, was zu einem guten thermischen Management der Batterie führt.
Abbildung 5. Zweidimensionaler Wärmetransport Abbildung 6. Thermische Bildgebung der Probe Schematische Darstellung eines metallischen VIP
2.2 Hervorragende Wärmeisolationsleistung und hohes Kosten-Nutzen-Verhältnis
Der Vergleichstest der Kaltseiten-Temperaturantwort von 8 mm dickem metallischem VIP und 9 mm dickem Aerogel-Vlies bei gleicher Länge und Breite unter Bedingungen von 400 °C und 600 °C auf der heißen Seite ist in Abbildung (7) dargestellt. Im Vergleich zum Aerogel-Vlies liegt die Kaltseitentemperatur des metallischen VIP deutlich niedriger; die Unterschiede betragen jeweils 148,4 °C und 204,8 °C. Während des schnellen Aufheizvorgangs (nicht-stationärer Zustand), bei dem die heiße Oberfläche kontinuierlich von Raumtemperatur auf 200 °C bzw. 400 °C erhitzt wird, zeigen sich ebenfalls signifikante Unterschiede zwischen der Kaltseiten-Temperatur des metallischen VIP und jener des Aerogel-Vlieses. Die Temperaturantworten der Kalt- und Heißseiten sind in Abbildung (8) dargestellt. Daher verlangsamt sich aufgrund der geringeren Wärmeleitfähigkeit bzw. des geringeren Wärmediffusionskoeffizienten des metallischen VIP die Geschwindigkeit der Temperaturausbreitung oder -diffusion erheblich, was eine längere sichere Fluchtzeit bei einem thermischen Ausfall der Batterie ermöglicht oder die thermische Belastung des Kühlungssystems des thermischen Managements deutlich verringert. Bei ternären Lithiumbatterien kann die maximale Temperatur eines thermischen Ausfalls der Batteriezellen 700–800 °C erreichen. Derzeit werden in der Industrie in der Regel 2,5 mm dicke Aerogel-Pads zur Isolierung gegen thermische Ausfälle eingesetzt (wobei die Temperatur benachbarter Zellen auf maximal 200 °C begrenzt werden muss). Durch den Einsatz des metallischen VIP lässt sich die Dicke des Aerogels effektiv reduzieren, wodurch mehr Platz und Gewicht für das Batteriesystem frei werden. Tabelle 2 vergleicht und berechnet die wichtigsten Parameter zweier Isolationsmethoden – Aerogel-Vlies und metallisches VIP – für Batteriepacks bestimmter Abmessungen. Abgesehen von einer leichten Erhöhung des Gesamtgewichts beträgt der Wärmewiderstand des metallischen VIP das Fünffache desjenigen des Aerogel-Vlieses, während dessen Dicke deutlich reduziert wird, was ein hohes Kosten-Nutzen-Verhältnis verdeutlicht.
Abbildung 7. Temperaturantwortkurven der Kaltseite von metallischem VIP und Aerogel-Vlies
Abbildung 8. Temperaturantwortkurven der Kalt-/Heißseiten von metallischem VIP und Aerogel-Vlies
Tabelle 2. Kosten-Nutzen-Analyse zweier Isolationsmethoden für ternäre Lithiumbatterien
| TLB
|
Größe (mm) | Dicke (mm) | Menge
(Stück) |
Preis
(RMB/m)2） |
Bruttogewicht.
(kg/m)2） |
Wärmeleitwert(m)2.k/w) |
| Aerogel-Vlies | 205*98 | 2.5 | 216.0 | 169 | 1.7 | 0.1 |
| Metall VIP | 205*98 | 1.5 | 216.0 | 160 | 1.4 | 0.5 |
2.3 Ultradünnes VIP zur Isolierung von Batteriepacks
Eine Vielzahl von Experimenten hat gezeigt, dass die Betriebstemperatur von Batteriepacks signifikant mit der Restkapazität der Entladung korreliert. Wie in Abbildung (9) dargestellt, handelt es sich um das Trenddiagramm der Restkapazität der Entladung in Abhängigkeit von der Temperatur bei den gängigsten Lithium-Eisenphosphat-Batterien auf dem Markt. Mit sinkender Temperatur nimmt die Entladungskapazität ab. Unter -5 °C fällt die Entladungskapazität stark ab, und bei -20 °C reduziert sie sich um nahezu 25%. Dies ist auch einer der wesentlichen Gründe dafür, dass die Reichweite von Fahrzeugen mit neuer Energie in kalten Winterbedingungen deutlich sinkt. Gleichzeitig löst dies das Problem der Nutzer im Norden, die sich über die lange Ladezeit beim Schnellladen im Winter beschweren. Daher ist eine umfassende Isolierung des Batteriepacks entscheidend, um die Lebensdauer der Batterie zu verlängern, die Ladeeffizienz zu verbessern und das Nutzererlebnis zu optimieren.
Abbildung 9. Zusammenhang zwischen der Restkapazität der Entladung eines Batteriepacks und der Temperatur
Vakuumisolierung ultradünn – VIP – mit einer Dicke von nur 1–5 mm. Das Produkt verfügt über hervorragende Wärmeisolations- und Pufferfunktionen und hat eine Reihe von Prüfungen sowie Zertifizierungen bestanden, die für die neue Energiewirtschaft erforderlich sind. Insbesondere wurde der “Double 85”-Umweltzuverlässigkeitstest gemäß der Norm GB/T 2423.50 durchgeführt. Unter Bedingungen von Umgebungstemperatur 85±2 °C und Luftfeuchtigkeit 85±5%RH unterzog sich das Produkt einem 1000-stündigen Alterungstest; dabei blieb seine Wärmeleitfähigkeit weiterhin unter 8 mW/(m·K), was seine langfristige Beständigkeit gegen Feuchtigkeitsaufnahme sowie die Stabilität seiner thermischen Eigenschaften belegt. Die wichtigsten Leistungsindikatoren sind in Tabelle 3 aufgeführt. Serienprodukte werden bereits in Bereichen wie der Wärmedämmung und dem Schutz von Lithium-Ionen-Batteriepacks eingesetzt.
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Tabelle 3. Hauptleistungsindikatoren der ultradünnen VIP |
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| Anfangs-Wärmeleitfähigkeit | 3,5 mw/（m·k） |
| Doppelte “85”-Zuverlässigkeitstests Wärmeleitfähigkeit nach 1000 Stunden | ≤ 8 mw/（m·k） |
| Kupfer-Acetat-Salznebeltest
Die Veränderung der Wärmeleitfähigkeit nach 240 Stunden |
＜ 2 mw/（m·k） |
| Spannungsfestigkeit | 3800 VDC, Leckstrom ＜1 mA |
| IIsolierung | 5000 MΩ, 1000 VDC |
Eine bestimmte Marken-Batteriepacks verwendet jeweils dieselbe 3-mm-dicke Wärmedämmung aus Schaumstoff sowie eine ultradünne (Yinlin ultrathin™) VIP zur Isolierung. Bei einer Anfangstemperatur von 25 °C wird das Paket in eine Tieftemperaturumgebung von -20 °C gestellt. Unter natürlicher Konvektion sinkt die Temperatur des Schaumstoff-Batteriepacks innerhalb von etwa 3,5 Stunden auf 0 °C. Das Batteriepack mit Yinlin ultrathin™-VIP benötigt hingegen rund 10 Stunden, bis dessen Temperatur auf 0 °C absinkt. Die Kühlkurve ist in Abbildung 10 dargestellt; die Zeit der Wärmebewahrung unterscheidet sich um mehr als das Dreifache, wodurch die Anpassungsfähigkeit des Batteriepacks an niedrige Temperaturen sowie seine Lebensdauer erheblich erhöht werden.
Abbildung 10. Kühlkurve des Batteriepacks
- 3.Bezüglich der Wärmeleitfähigkeit und der thermischen Diffusivität von Materialien
Die Isolierung von Batteriepacks sowie das thermische Management zwischen den Zellen in Neuer-Energie-Batterien umfassen zwei völlig unterschiedliche Wärmeübertragungsprozesse: den stationären und den instationären Zustand. Daher unterscheiden sich die relevanten physikalischen Parameter erheblich. Wie bereits erwähnt, betrifft ersterer die Energieerhaltung, während letzterer die Sicherheit berücksichtigt. Bei der Temperaturregelung von Batteriepacks befinden sich das Isoliermaterial und das Batteriepack hauptsächlich in einem stationären oder quasi-stationären Wärmeübertragungsprozess. Der Wärmeübertragungsprozess wird im Allgemeinen durch die Fourier-Gleichung beschrieben, wobei der charakteristische Parameter der Wärmeleitkoeffizient k (Thermal Conductivity) ist – also die Fähigkeit zur Wärmeübertragung bei einer bestimmten Temperaturverteilung. Die Temperaturregelung zwischen den Zellen neuer Energiespeicher, insbesondere der Prozess des thermischen Durchgehens, gehört hingegen zum instationären Wärmeübertragungsprozess und konzentriert sich auf die dynamischen Temperaturänderungen. Sie wird üblicherweise durch den Wärme-Diffusionskoeffizienten a oder den Wärmeleitkoeffizienten charakterisiert. Physikalisch bedeutet dies die Fähigkeit eines jeden Teils eines Körpers, während schneller Erwärmungs- oder Abkühlvorgänge eine einheitliche Temperatur anzunehmen. Dabei zeigt sich die thermische Trägheit des Objekts. Je kleiner der Wärme-Diffusionskoeffizient, desto größer die thermische Trägheit und desto langsamer erreicht das Objekt den Zustand des thermischen Gleichgewichts. Konkret spiegelt der Wärme-Diffusionskoeffizient (a = k/ρ×Cp) das Gesamtverhältnis zwischen der Wärmeleitfähigkeit (k) des Materials während des Wärmeleitungsvorgangs und der Wärmespeicherkapazität (ρ×Cp) der beteiligten Stoffe wider. Der Wärme-Diffusionskoeffizient variiert stark zwischen verschiedenen Materialien. So weist Holz beispielsweise einen Wärme-Diffusionskoeffizienten von 1,5×10⁻⁷ m²/s auf, während Aluminium einen Wert von 9,5×10⁻⁵ m²/s besitzt. Generell gilt: Je geringer die Wärmeleitfähigkeit, je höher die Dichte, desto kleiner der Wärme-Diffusionskoeffizient und desto größer die thermische Trägheit des Materials. Tabelle 4 zeigt den Bereich der Wärme-Diffusionskoeffizienten verschiedener Materialien. Offensichtlich verfügt Metall-VIP über eine hohe thermische Trägheit und eignet sich besonders für thermische Managementsysteme zwischen Batteriezellen.
| Tabelle 4. Wärmeleitfähigkeit und Wärme-Diffusionskoeffizient verschiedener Materialien bei Raumtemperatur | ||
| Material | Wärmeleitfähigkeit Wärmeleitkoeffizient
（w/m·k） |
thermische Diffusivität
（10-6 m2/s） |
| Metall | 4-420 | 3-165 |
| Gas | 0.01-0.20 | 15-165 |
| Nichtmetallisch (mit wenigen Ausnahmen) | 0.17-70 | 0.1-1.6 |
| Flüssigkeit (nichtmetallisch)) | 0.05-0.68 | 0.08-0.16 |
| Übliches Wärmedämmmaterial | 0.04-0.12 | 0.16-1.6 |
| AAerogel Vlies | 0.016-0.025 | 0.05-0.08 |
| Metall VIP | 0.003-0.010 | ＜0,01 |
Darüber hinaus konzentriert sich derzeit der Test der thermischen Leistung ultra-dünner VIP‑Materialien für das thermische Management von Batterien nach wie vor hauptsächlich auf die Messung des zentralen Wärmeleitkoeffizienten k. Die meisten Messgeräte basieren auf nationalen Normen wie GB/T 10295, GB/T 10294 und GB/T 39704 sowie auf internationalen Standards wie ISO 8301 oder ASTM C518. Das heißt, die Berechnung des k‑Werts mittels der Fourier‑Gleichung für den stationären Wärmeübertragungsprozess stellt ebenfalls die empfohlene standardisierte Methode dar. Allerdings sind die meisten Geräte geeignet, Produkte mit einer Dicke von mehr als 10 mm zu messen, und lassen sich nicht auf die Prüfung der thermischen Leistung sehr dünner Isoliermaterialien mit einer Dicke unter 5 mm anwenden. Zudem beträgt die Dicke ultra-dünner VIP‑Materialien meist nur 1–3 mm. Selbst unter gleichem Vorspannungsdruck ist der relative Fehler bei der Dickenmessung deutlich größer als 10%. Darüber hinaus ist der Temperaturunterschied zwischen beiden Seiten relativ gering, doch der Temperaturmessfehler fällt entsprechend hoch aus, was zu erheblichen Abweichungen der Messdaten zwischen verschiedenen Instrumenten führt; einige davon überschreiten sogar 100% und sind daher nicht miteinander vergleichbar. Daher ist es für die Bewertung der Isolationsleistung ultra-dünner VIP‑Strukturen wissenschaftlich fundierter und angemessener, die Temperaturantwortkurve der heißen Seite oder den Temperaturanstieg an kalter und heißer Seite unter festgelegten Bedingungen der Wärmeflussdichte und definierten Zeitintervallen heranzuziehen.
4.Aussichten
Die Vakuumisolierungstechnologie und entsprechende Produkte sind in Haushaltsgeräten sowie anderen Bereichen weit verbreitet und haben sich zum unverzichtbaren Material für Energieeinsparung, Verbrauchsreduzierung und die maximale Raumausnutzung bei Kühlgeräten wie Kühlschränken und Gefriergeräten entwickelt. Die Vakuumisolierung im Bereich des Batteriethermomanagements befindet sich hingegen noch in der Anfangsphase. Sie erfordert eine gründliche Produktvalidierung sowie ein auf den spezifischen Eigenschaften von Batterie‑Thermomanagement‑Systemen basierendes anpassungsfähiges Produktdesign. Dennoch ermöglichen die Gestaltungs‑ und Größenvielfalt spezieller Vakuumisolationsplatten (VIP) oder Vakuumisolationsstrukturen (VIS), die flexiblen Kombinationsmöglichkeiten von Membranmaterialien, Kernmaterialien und Vakuumdichtungsmethoden sowie die überlegene Isolierleistung die Integration von Wärmeabfuhr-, Isolations‑, Brandschutz‑ oder Brandabschnittskonzepten in Batteriesystemen. Die neuen Vakuumisolationsplatten besitzen ein großes Anwendungspotenzial im Thermomanagement von Automobilbatterien und Energiespeichersystemen.
5.RReferenzen
[1] Zhang Liyu u. a.: Grundlegende experimentelle Studie zur Korrelation zwischen Lithiumbatterieleistung und Temperatur [J]. Journal of Xi’an Jiaotong University, 2018, 52 (5): 133–141.
[2] Sato N.: Analyse des thermischen Verhaltens von Lithium-Ionen-Batterien für Elektro‑ und Hybridfahrzeuge [J]. Journal of Power Sources, 2001, 99(1–2): 70–77.
[3] WILKE S., SCHWEITZER B., KHATEEB S. u. a.: Verhinderung der Ausbreitung eines thermischen Durchgehens in Lithium‑Ionen‑Batteriepaketen mittels eines Phasenwechsel‑Kompositmaterials: eine experimentelle Studie [J]. Journal of Power Sources, 2017, 340: 51–59.
[4] Pesaran A. A.: Batteriethermische Modelle für Simulationen von Hybridfahrzeugen [J]. Journal of Power Sources, 2002, 110(2): 377–382.
[5] Rui Xinyu u. a.: Überblick über das Problem der Ausbreitung eines thermischen Durchgehens bei Lithium‑Ionen‑Batterien [J]. Battery Industry, 2020, 24(3): 193–205.
[6] Jiangxi Zhongmao New Energy Materials Technology Co., LTD. A high-temperature resistant heat insulation sheet: CN222039868U.2024.11.22.
[7] “GB 38031-2020 Sicherheitsanforderungen für Traktionsbatterien von Elektrofahrzeugen”.
[8] “GB 18384-2020 Sicherheitsanforderungen für Elektrofahrzeuge”.
[9] “GB 38032-2020 Sicherheitsanforderungen für Elektrobusse”.
