Was bedeuten die Trends „Elektromobilität“ und „Autonomes Fahren“ sowie der Wandel in der Energietechnik für Freudenberg Sealing Technologies (FST)? Welche Komponenten werden in diesen Märkten in Zukunft gebraucht? Welche seiner Kernkompetenzen kann FST dafür nutzen? Welche Anwendungen kommen in Frage? Wie müssen neue Teile und Module ausgestaltet sein, damit sie den Kunden Mehrwerte und FST Alleinstellungsmerkmale bieten? Technology & Innovation (T&I) ist diese Fragen proaktiv angegangen. Daraus ist bereits eine Vielzahl an Innovationen entstanden – beziehungsweise befindet sich im Entstehen. Einige Beispiele erläutert Jens Trabert, Vice President T&I, Innovation Commercialization.
„Wir antizipieren systematisch künftige Trends und versuchen, dafür aktiv Komponenten zu entwickeln, bei denen wir auf bestehendes Wissen aufbauen können und die strategisch zu uns passen. Wir befinden uns dabei auf einem Weg, der immer öfter von der einzelnen Dichtung hin zu kompletten Modulen führt, für die wir uns das nötige Auslegungs- und Fertigungs-Know-how aneignen.“
Jens Trabert | Lead Function Technology & Innovation bei FST
Sicherheit fürs Herzstück, die Batterie
Lithium-Ionen-Batterien bilden als Energiespeicher das Herzstück von Elektrofahrzeugen und Elektromobilität. Deren kleinste Einheit ist die Zelle. Kommt es hier zu einem Kurzschluss, wird schlagartig Energie frei. Es entwickeln sich Druck und Hitze, das Elektrolyt vergast, die Zelle platzt. Das kann eine fatale Kettenreaktion von Zelle zu Zelle auslösen und zum Durchbrennen der gesamten Batterie führen, dem gefürchteten „Thermal Runaway“. FST hat Lösungen entwickelt, die dieses unkontrollierte Übergreifen von Zelle zu Zelle verhindern – oder zumindest so stark verlangsamen, dass den Passagieren genügend Zeit bleibt, das Fahrzeug zu verlassen.
Hitzeschilde …
… von FST bilden zwischen den einzelnen Zellen eine Barriere. „Aktuell entwickeln wir die zweite Generation unserer Heatshields. Diese nächste Generation der elastischen, extrem platzsparenden Matten besteht in einem Mehrfachaufbau aus einem Materialmix. So können die Hitzeschilde noch höheren Temperaturen noch deutlich länger standhalten. Dabei kommen unser Material-Know-how sowie das ,Innovating Together‘ mit Freudenberg Performance Materials zum Tragen“, erklärt Trabert.
Thermal Barriers …
… erfüllen die gleiche Aufgabe wie Hitzeschilde, nur an anderer Stelle im Batteriegehäuse. Als dreidimensionale Profile verhindern sie, dass sich Flammen um die Hitzeschilde herum über die Kopfenden der Zellen ausbreiten. Diese thermischen 3D-Barrieren fertigt FST im Spritzgussverfahren aus einem eigens entwickelten silikonbasierten Spezialmaterial. Parallel dazu entwickelt FST neue Werkstoffe für flache zweidimensionale Thermal Barriers, also Plattenware, die im gesamten Batteriegehäuse rundherum als Flammschutz eingesetzt werden kann.
DIAvent …
… heißt das patentierte Druckausgleichselement von FST, das zwei Funktionen in einem Bauteil kombiniert. Im Normalbetrieb ermöglicht es, dass die Batterie eines Elektroautos „atmet“, Fachbegriff: „bidirektionaler Druckausgleich“. Zweitens führt DIAvent bei einem „Thermal Runaway“ den entstehenden Überdruck mit hohen Entgasungsraten ab. Die Innovation gibt es in verschiedenen Ausführungen. Das Modell HighFlow kann den Volumenstrom bei einer Notentgasung im Vergleich zur Standardausführung vervierfachen. DIAvent Light beschränkt sich auf den Druckausgleich im Normalbetrieb. Denkbar sind weitere Varianten, zum Beispiel für Batterien elektrisch angetriebener Zweiräder.
Busbars …
… sind Stromschienen. In Lithium-Ionen-Batterien fließt der Strom von Zelle zu Zelle nicht durch Drähte beziehungsweise Kabel, sondern über Stromschienen aus Kupfer, sogenannte Busbars. Auch für sie gelten höchste Flammschutzanforderungen, ganz gleich ob es sich um gerade meterlange Schienen, gewundene Formteile oder Gewindestücke handelt. Um Kurzschüsse und Brände durch Überhitzung zu vermeiden, werden Busbars entweder mit flammhemmenden, elektrisch isolierenden Materialien beschichtet oder mit Elastomeren ummantelt. Metalle zu beschichten oder zu ummanteln – das zählt zu den Kernkompetenzen von FST! „Es ist naheliegend, dennoch oft erklärungsbedürftig, warum wir als Freudenberg Produkte wie Busbars anbieten. In der Zusammenarbeit mit den Kunden stellen wir aber immer wieder fest, wie sehr unsere Erfahrung und unser Entwicklungs-Know-how in diesen neuen, noch von Unsicherheit geprägten Geschäften gefragt sind“, sagt Trabert.
Prismatic Cell Caps: Den Deckel draufmachen
Eine wichtige Funktion bei der Stromübertragung in Lithium-Ionen-Batterien übernehmen die Zelldeckel. Sie müssen außerdem die Zellchemie und Dämpfe sicher von der Umgebung fernhalten, schließlich die beiden Zellpole abdichten und voneinander isolieren. Um diese Aufgabenfülle zu bewältigen, bestehen die Deckel aus verschiedenen Einzelteilen. „Wir haben schon vor Jahren Dichtungsmaterialien entwickelt, die medienbeständig mit der Zellchemie ,leben können‘. Da wir uns auch auf die Metallverarbeitung verstehen – sei es für Simmerringe oder für Ventilschaftabdichtungen – bot es sich an, den gesamten Zelldeckel zu fertigen und anzubieten. Der große Vorteil für die Kunden: Sie müssen die Einzelteile von der Anode bis zum integrierten Berstelement nicht selbst zusammenfügen. Wir liefern ihnen das komplette Modul als fertige Baugruppe“, erklärt Trabert.
EMI Shielding: Kunststoff das Abschirmen beibringen
Sensor-, Kamera- und Radarsysteme – elektronische Bauteile von Fahrzeugen strahlen elektromagnetisch und können sich gegenseitig stören, Fachbegriff: „Electromagnetic Interference“ (EMI). Sie müssen daher voneinander abgeschirmt werden. Entweder in Gehäusen aus leitfähigem, aber vergleichsweise teurem und schwerem Metall, zumeist Aluminium. Oder in Gehäusen aus Kunststoff, an die sich beispielsweise eine Dichtung direkt zu einer festen Verbindung anspritzen lässt.
Für die EMI-Abschirmung, Fachbegriff: „EMI Shielding“, muss der Kunststoff allerdings elektrisch leitfähig gemacht werden. FST hat dafür mehrere Lösungen entwickelt. Eine davon ist das sogenannte „EMI Coating“, das Aufbringen einer leitfähigen Beschichtung auf die Oberfläche der Kunststoffteile. Bei der Optimierung dieses Verfahrens arbeitet FST mit BASF zusammen.
eCON: Dichtungen mit „eingebautem Blitzableiter“
Für den elektrischen Antriebstrang entwickelt FST seine vorhandene Dichtungskompetenz gezielt weiter. Ein Beispiel ist eCON, reibungsarme Radialwellendichtungen mit „eingebauten Blitzableiter“, also integrierter Erdung. Die multifunktionalen Dichtungen leiten schädliche Ströme im Motorlager ab. Sie beugen damit Lagerschäden vor, die durch Elektroerosion hervorgerufen werden können.
Elektrolyseure: Wasserstoff für die Brennstoffzelle
„Unser Ziel ist, am Megatrend Wasserstoff als künftigem Energieträger zu partizipieren“, sagt Trabert. Elektrolyseure erzeugen mit Hilfe elektrischen Stroms Wasserstoff. Sie funktionieren ähnlich wie eine Brennstoffzelle – nur eben genau umgekehrt. Wie bei der Brennstoffzelle müssen auch die Stacks von Elektrolyseuren abgedichtet werden. Dafür liefert FST bereits Flachdichtungen und O-Ringe, die gegen die Elektrochemie resistent sind. „Die große Herausforderung bei Elektrolyseuren und Brennstoffzellen ist aktuell die Reduktion der Kosten durch automatisierte Fertigung. Unsere Idee ist, im Zuge einer vertikalen Integration unsere Dichtungen direkt mit dem Rahmen oder der Bipolarplatte in einem automatisierten Prozess zu verbinden und diese Einheit dem Kunden dann als fertiges Modul zu liefern. So sparen die Kunden mehrere Schritte in ihrer Fertigung ein“, erklärt Trabert.
Innovative Werkstoffe und Verfahren
Produktinnovationen gehen häufig mit Material- und Verfahrensinnovationen einher – oder setzen sie sogar voraus. So zum Beispiel bei sogenannten „Thermal Interface Materials“ (TIM). FST hat dieses thermisch leitfähige und elektrisch isolierende Silikonmaterial seit wenigen Jahren im Programm. Aktuell hat es FST weiterentwickelt, und zwar gleich in zweierlei Hinsicht. Erstens lässt sich der Werkstoff jetzt auch im Spritzgussverfahren gänzlich neu zu komplexen dreidimensionalen Geometrien verarbeiten. Zweitens kann das Material nun auch fester Bestandteil von 2-Komponenten (K)-Teilen werden. Das heißt, es lässt sich direkt aufspritzen und haftet auf Kunststoff, Aluminium oder Kupfer. Für den Ladeanschluss eines Elektroautos befindet sich ein solches 2-K-Bauteil mit Thermoplast-Grundkörper seit einiger Zeit in der Serienfertigung. Konkret trägt es dazu bei, das Aufladen von Fahrzeugen effizienter und sicherer zu gestalten: Das FST-Bauteil „füttert“ Sensoren mit thermischen Informationen. Auf deren Basis lässt sich der Ladevorgang kontinuierlich überwachen und steuern.
