Klebebänder in Batteriesystemen übernehmen bei Venting- und Berstelementen eine funktionskritische Aufgabe: Sie dichten, fixieren und schützen die Druckentlastungskomponenten, die im Thermal-Runaway-Fall das kontrollierte Entweichen von Gasen ermöglichen. Dabei müssen die eingesetzten Materialien extremen Temperaturen, aggressiven Elektrolyten und mechanischen Belastungen standhalten. Die folgenden Abschnitte beleuchten, welche technischen Anforderungen dabei gelten und welche Klebstofftechnologien sich in der Praxis bewähren.
Wie funktionieren Venting- und Berstelemente in Batteriezellen?
Venting- und Berstelemente sind Sicherheitsbauteile in Batteriezellen, die bei einem unkontrollierten Druckanstieg gezielt versagen, um eine Explosion oder ein mechanisches Bersten des Gehäuses zu verhindern. Das Venting-Element öffnet sich bei einem definierten Überdruck und leitet entstehende Gase kontrolliert ab. Das Berstelement ist eine geschwächte Zone im Gehäuse, die bei noch höherem Druck nachgibt.
Auf Zellebene sitzen diese Elemente typischerweise am Deckel der prismatischen Zelle oder am Boden zylindrischer Zellen. Auf Modulebene können zusätzliche Druckausgleichsöffnungen verbaut sein, die mehrere Zellen gemeinsam absichern. Auf Packebene wiederum sorgen Gehäuseöffnungen mit Membranen dafür, dass Druckspitzen das gesamte Batteriesystem nicht gefährden.
Die Funktion dieser Bauteile ist zeitkritisch: Im Thermal-Runaway-Szenario steigen Temperatur und Innendruck innerhalb von Millisekunden. Klebebänder, die diese Elemente abdichten oder fixieren, müssen daher unter extremen Bedingungen zuverlässig ihre Position halten, ohne die Auslöseschwelle des Venting-Mechanismus zu beeinflussen.
Welche Anforderungen gelten für Klebebänder an Venting-Elementen?
Klebebänder an Venting-Elementen müssen gleichzeitig dichten und freigeben können: Im Normalbetrieb verhindern sie das Eindringen von Feuchtigkeit und Partikeln, im Fehlerfall dürfen sie die Druckentlastung nicht blockieren. Diese scheinbar widersprüchlichen Anforderungen machen die Materialauswahl besonders anspruchsvoll.
Die wichtigsten technischen Anforderungen im Überblick:
- Beständigkeit gegenüber Elektrolyten auf Basis von Lithiumsalzen und organischen Lösungsmitteln
- Temperaturstabilität im Dauerbetrieb, typischerweise von -40 °C bis über 150 °C
- Definierte Haftkraft, die unterhalb der Auslöseschwelle des Venting-Elements liegt
- Geringe Ausgasung, um keine zusätzlichen Gase in den Zellraum einzubringen
- Dimensionsstabilität auch bei Feuchtigkeitsaufnahme
Die Ebene, auf der das Klebeband eingesetzt wird, beeinflusst die Priorisierung dieser Anforderungen erheblich. Auf Zellebene steht die chemische Beständigkeit im Vordergrund, auf Modul- und Packebene gewinnen mechanische Stabilität und Brandverhalten an Gewicht.
Welche Klebstofftechnologien eignen sich für Hochtemperaturanwendungen in Batterien?
Für Hochtemperaturanwendungen in Batteriesystemen eignen sich vor allem Acrylatkleber und Silikonkleber, da beide Technologien eine deutlich höhere Temperaturbeständigkeit aufweisen als Kautschukkleber. Acrylatkleber bieten dabei eine gute Kombination aus chemischer Beständigkeit und mechanischer Festigkeit, während Silikonkleber bei Spitzentemperaturen über 200 °C ihre Vorteile ausspielen.
Acrylatkleber
Acrylatbasierte Systeme sind in Batteriegehäusen weit verbreitet, weil sie sich gut auf Metall- und Kunststoffsubstraten verarbeiten lassen und eine hohe Beständigkeit gegenüber Elektrolyten zeigen. Buday ACR-Tapes nutzen diese Technologie und sind für Anwendungen auf Zell- und Modulebene ausgelegt, wo dauerhafte Haftung unter thermischer Wechselbelastung gefordert wird.
Silikonkleber
Silikonbasierte Klebsysteme werden bevorzugt eingesetzt, wenn Spitzentemperaturen auftreten, wie sie im Thermal-Runaway-Szenario entstehen können. Sie behalten ihre Elastizität auch bei tiefen Temperaturen und eignen sich für Substrate mit geringer Oberflächenenergie. Der Nachteil liegt in der im Vergleich zu Acrylaten geringeren Scherfestigkeit bei Raumtemperatur.
Wie werden Klebebänder bei der Abdichtung von Berstelementen eingesetzt?
Bei Berstelementen dienen Klebebänder primär als Sekundärabdichtung: Sie überbrücken den Spalt zwischen dem Berstelement und dem umgebenden Gehäuse und verhindern im Normalbetrieb das Eindringen von Feuchtigkeit oder Staub. Die Klebebandkonstruktion muss so ausgelegt sein, dass sie beim Auslösen des Berstelements keine mechanische Barriere bildet.
In der Praxis werden dafür häufig einseitige oder doppelseitige Klebebänder mit dünnen Trägerfolien eingesetzt, die beim Druckanstieg reißen, bevor das Berstelement selbst versagt. Die Auswahl der Trägerfolie, ob PET, PI oder PE-Schaum, beeinflusst direkt, bei welchem Kraftniveau das Klebeband nachgibt.
Auf Packebene werden Berstmembranen häufig mit Klebebändern auf Dichtflächen aufgeklebt, die gleichzeitig als elektrische Isolierung dienen. Hier kommen oft Polyimid-Träger zum Einsatz, da sie sowohl thermisch als auch elektrisch isolieren.
Welche Normen und Prüfanforderungen müssen Klebebänder in Batteriesystemen erfüllen?
Klebebänder in Batteriesystemen unterliegen keiner einzigen einheitlichen Norm, sondern müssen je nach Anwendungsebene und Branche verschiedene Anforderungen erfüllen. Relevante Rahmennormen sind unter anderem UN 38.3 für den Transport, IEC 62133 für Sicherheitsanforderungen an portable Zellen sowie fahrzeugspezifische OEM-Lastenhefte, die Prüfkriterien wie Temperaturwechsel, Vibration und chemische Beständigkeit definieren.
Für den Einsatz in Schienenfahrzeugen gilt zusätzlich die EN 45545, die Brandschutzanforderungen für Materialien im Bahnbereich festlegt. Klebebänder, die in Batteriepacks für Züge oder Straßenbahnen verbaut werden, müssen entsprechende Brandklassen nachweisen.
Die Prüfung der Klebebänder selbst erfolgt nach Methoden wie ASTM D1000, PSTC-Normen oder herstellerspezifischen Prüfplänen. Dabei werden Klebkraft (Schäl- und Scherfestigkeit), Temperaturbeständigkeit, Ausgasungsverhalten und chemische Beständigkeit gemessen. Buday verfügt über ein eigenes Labor mit Klimakammer, UV-Bewitterungsanlage und Klebkraftmesstechnik, um diese Parameter unter realitätsnahen Bedingungen zu prüfen.
Wann sollte ein Klebeband für Batterie-Venting-Anwendungen neu qualifiziert werden?
Eine Neuqualifizierung ist immer dann notwendig, wenn sich entweder das Klebebandmaterial, das Substrat, die Verarbeitungsbedingungen oder die Betriebsanforderungen wesentlich ändern. In Batteriesystemen lösen insbesondere Änderungen an der Zellchemie, am Gehäusematerial oder an den thermischen Lastprofilen eine neue Qualifizierungsrunde aus.
Typische Auslöser für eine Neuqualifizierung:
- Wechsel des Zellformats (zylindrisch zu prismatisch oder Pouch)
- Änderung der Substratoberfläche, etwa durch neuen Lack oder neue Beschichtung
- Anpassung der Betriebstemperatur durch veränderte Ladestrategie
- Neue regulatorische Anforderungen, beispielsweise durch aktualisierte OEM-Lastenhefte
- Wechsel des Klebstofflieferanten oder der Trägerfolie beim Klebebandhersteller
In der Serienentwicklung empfiehlt sich eine frühzeitige Einbindung des Klebebandlieferanten bereits in der Konzeptphase, damit Qualifizierungsläufe nicht erst kurz vor dem Serienanlauf beginnen. Gerade bei sicherheitsrelevanten Komponenten wie Venting-Elementen kann eine verzögerte Qualifizierung den gesamten Entwicklungszeitplan gefährden.
Wie Buday Lösungen für Venting- und Berstanwendungen bereitstellt
Buday entwickelt und verarbeitet Klebebänder speziell für sicherheitsrelevante Anwendungen in Batteriepacks, einschließlich der Abdichtung und Fixierung von Venting- und Berstelementen auf Zell-, Modul- und Packebene. Das Leistungsspektrum umfasst:
- Materialauswahl und technische Beratung für Hochtemperatur- und Elektrolytbeständigkeitsanforderungen
- Laborprüfungen unter realen Betriebsbedingungen mit Klimakammer und Klebkraftmesstechnik
- Konfektionierung von Formstanzteilen für präzise Geometrien an Venting-Öffnungen
- Qualifizierungsunterstützung nach OEM-Lastenheft und relevanten Sicherheitsnormen
Wer ein Klebeband für spezifische Batterieanwendungen qualifizieren oder eine bestehende Lösung technisch und wirtschaftlich optimieren möchte, kann über die Buday-Kontaktseite direkt eine Beratung anfragen.