E-Mobility Battery Assembly: Klebstoffe und Vergussmassen für Batteriepacks
Die Montage von Lithium-Ionen-Batteriepacks für Elektrofahrzeuge stellt höchste Anforderungen an Fügetechnologien. Klebstoffe, Vergussmassen und Dichtungen übernehmen weit mehr als nur mechanische Fixierung: Sie gewährleisten Thermomanagement, Crash-Sicherheit, elektrische Isolation und Schutz vor Feuchtigkeit. Dieser Fachartikel zeigt, welche Materialien wo zum Einsatz kommen und worauf Batterie-Ingenieure bei der Auswahl achten müssen.
1. Herausforderungen im Batterie-Assembly
Moderne Batteriepacks für Elektrofahrzeuge vereinen hunderte Einzelzellen zu kompakten, crashsicheren Einheiten. Dabei müssen zahlreiche Anforderungen gleichzeitig erfüllt werden:
- Thermomanagement: Lithium-Ionen-Zellen entwickeln Wärme während Ladung und Entladung. Ohne effiziente Wärmeableitung droht Thermal Runaway. Gap-Filler und Wärmeleitpasten müssen Kontaktwiderstände minimieren und Wärme zuverlässig an Kühlplatten abführen.
- Vibrations- und Crashsicherheit: Batteriepacks sind kontinuierlichen Vibrationen und im Crashfall extremen Kräften ausgesetzt. Strukturklebstoffe müssen hohe Scherfestigkeiten und Energieabsorption bieten, ohne zu verspröden.
- Gewichtsoptimierung: Jedes Kilogramm zählt. Klebverbindungen ersetzen schwere mechanische Befestigungen und ermöglichen Leichtbaukonzepte mit Aluminium und Composites.
- IP-Schutz: Eindringende Feuchtigkeit kann zu Korrosion, Kriechströmen und Zellschädigung führen. Dichtungssysteme müssen IP67 oder IP68 gewährleisten – auch nach Jahren und über weite Temperaturbereiche.
- Elektrische Isolation: Hochvolt-Komponenten (bis 800 V) erfordern durchschlagsichere Vergussmassen mit hoher Spannungsfestigkeit und definierten Kriechstrecken.
Die europäische Batterieproduktion wächst rasant: Gigafactories in Deutschland, Ungarn und Frankreich setzen auf automatisierte Fertigungsprozesse. Klebstoffsysteme müssen daher nicht nur technisch überzeugen, sondern auch reproduzierbar dosierbar und schnell aushärtend sein.
2. Klebstoffe im Batteriepack: Wo wird verklebt?
Ein typisches Batteriepack besteht aus mehreren Hierarchieebenen. An jeder Stelle kommen spezifische Klebstoffsysteme zum Einsatz:
Zelle-zu-Zelle-Verklebung (Cell-to-Cell)
Zylindrische Zellen (18650, 21700, 4680) oder Pouchzellen werden zu Modulen zusammengefasst. Hier kommen elastische Klebstoffe zum Einsatz, die thermische Ausdehnung tolerieren und gleichzeitig Wärme ableiten. Zweikomponenten-Silikone mit Wärmleitfähigkeiten von 1 bis 3 W/m·K sind Standard. Bei prismatischen Zellen werden oft Acrylat-Schaumklebebänder verwendet, die Toleranzen ausgleichen.
Zelle-zu-Modul und Modul-zu-Gehäuse
Für die Fixierung von Zellmodulen im Batteriegehäuse sind Strukturklebstoffe gefordert. Epoxid-basierte Systeme wie die Permabond ET500 Serie bieten Scherfestigkeiten über 20 MPa und härten auch bei Raumtemperatur aus. Alternativ kommen schnellhärtende Polyurethane zum Einsatz, die bereits nach 24 Stunden ihre volle Festigkeit erreichen.
BMS-Fixierung
Das Battery Management System (BMS) mit Platinen, Sensoren und Steuergeräten muss vibrationssicher montiert werden. Hier eignen sich thixotrope Silikone, die nach dem Dosieren nicht verlaufen und elektrische Isolierung bieten. Wichtig: Keine korrosiven Ausgasungen, die Elektronikbauteile schädigen könnten.
Kühlplatten-Verklebung
Zwischen Zellmodulen und Aluminium-Kühlplatten müssen Gap-Filler thermische Kontaktwiderstände minimieren. Diese hochgefüllten Silikone (mit Aluminiumoxid oder Bornitrid) erreichen Wärmeleitfähigkeiten bis 5 W/m·K und kompensieren Unebenheiten von 0,5 bis 3 mm. Produkte wie Bluesil TCS 4525 härten bei Raumtemperatur zu elastischen, nicht-adhäsiven Schichten aus.
3. Strukturklebstoffe für Crash-Sicherheit
Im Crashfall müssen Batteriepacks strukturelle Integrität bewahren und Zellschädigungen verhindern. Strukturklebstoffe übertragen dabei Kräfte über grosse Flächen und absorbieren Energie durch kontrollierte plastische Verformung.
Epoxid-Strukturklebstoffe
Zweikomponenten-Epoxide sind die erste Wahl für hochbelastete Verklebungen. Sie bieten:
- Scherfestigkeiten von 20 bis 35 MPa (nach DIN EN 1465)
- Temperaturbeständigkeit bis 150 °C (kurzzeitig bis 180 °C)
- Ausgezeichnete Haftung auf Aluminium, Stahl und Composites
- Geringe Schrumpfung während der Aushärtung
Die Permabond ET5145 Serie kombiniert hohe Festigkeit mit Flexibilität und ist speziell für Automotive-Anwendungen qualifiziert. Typische Aushärteprofile: 1 Stunde bei 80 °C oder 7 Tage bei 23 °C.
Polyurethan-Strukturklebstoffe
PU-Klebstoffe bieten eine Balance zwischen Festigkeit und Elastizität. Mit Shore-Härten zwischen 60 A und 70 D eignen sie sich besonders für Materialkombinationen mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten. Die Bruchdehnung von über 100 Prozent ermöglicht Energieabsorption bei Crashbelastung.
Crash-Anforderungen nach UN ECE R100
Die UN-Regelung Nr. 100 fordert, dass Hochvolt-Komponenten bei einem Frontal-, Seiten- und Heckaufprall geschützt bleiben müssen. Batteriepacks müssen definierten Beschleunigungsprofilen standhalten, ohne dass Elektrolyt austritt oder Kurzschlüsse entstehen. Klebverbindungen sind Teil der Crashstruktur und müssen in FEM-Simulationen berücksichtigt werden.
4. Thermische Interface-Materialien (TIM)
Die Wärmeableitung aus dem Batteriepack ist entscheidend für Lebensdauer und Sicherheit. Thermische Interface-Materialien schliessen Luftspalte zwischen Wärmequelle und Kühlkörper und reduzieren den Wärmewiderstand.
Gap-Filler
Gap-Filler sind pastöse oder thixotrope Silikone, die Spalte von 0,5 bis 5 mm ausfüllen. Nach dem Aushärten bleiben sie elastisch und kompensieren thermische Ausdehnung. Typische Wärmeleitfähigkeiten:
- Standard-Gap-Filler: 1,5 bis 2,5 W/m·K
- Hochleistungs-Gap-Filler: 3 bis 5 W/m·K
- Keramisch gefüllte Spezialprodukte: bis 7 W/m·K
Wichtig ist die Verarbeitbarkeit: Gap-Filler müssen dosierbar sein (Schablonendruck, Dispensing) und dürfen keine Lufteinschlüsse bilden. Bluesil TCS Produkte sind speziell für automatisierte Battery-Assembly-Linien entwickelt.
Wärmeleitpasten
Für dünne Schichten (unter 0,3 mm) bieten Wärmeleitpasten niedrigere thermische Widerstände als Gap-Filler. Sie bleiben dauerhaft pastös und benötigen mechanischen Anpressdruck. Anwendung: Zwischen BMS-Komponenten und Metallgehäusen.
Wärmeleitpads
Vorkonfektionierte Silikonpads (Phase-Change-Materialien) schmelzen bei Betriebstemperatur und passen sich der Oberfläche an. Vorteil: Saubere Verarbeitung, kein Dosieren. Nachteil: Höherer thermischer Widerstand als Gap-Filler bei gleicher Dicke.
5. Vergussmassen für BMS und Leistungselektronik
Elektronische Steuergeräte, Hochvolt-Verbinder und Stromverteilschienen werden vergossen, um sie vor Feuchtigkeit, Vibrationen und mechanischen Belastungen zu schützen.
Silikon-Vergussmassen
Zweikomponenten-Silikone sind die dominierende Technologie für BMS-Verguss. Vorteile:
- Temperaturbeständigkeit von -60 °C bis +200 °C
- Ausgezeichnete elektrische Isolierung (Durchschlagfestigkeit über 20 kV/mm)
- Dauerhaft elastisch (Shore A 20 bis 60)
- Keine korrosiven Ausgasungen
- Reparierbarkeit: Silikon lässt sich mechanisch entfernen
Die Bluesil RTV 3400 Serie bietet verschiedene Viskositäten für manuelle und automatisierte Verarbeitung. Typische Topfzeiten: 30 bis 90 Minuten. Aushärtung bei Raumtemperatur in 24 bis 48 Stunden, beschleunigt bei 60 °C in 2 bis 4 Stunden.
Polyurethan-Vergussmassen
PU-Vergussmassen härten zu härteren Systemen aus (Shore A 70 bis Shore D 60) und bieten höhere mechanische Festigkeit. Sie sind kostengünstiger als Silikone, aber weniger temperaturbeständig (typisch -40 °C bis +120 °C). Anwendung: Verguss von Sensorik und Niedervolt-Elektronik.
IP67/68 Schutz
Batteriepacks benötigen mindestens IP67 (Schutz gegen zeitweiliges Untertauchen). Vergussmassen müssen daher:
- Vollständig hohlraumfrei vergossen werden (Vakuumverguss empfohlen)
- Dauerhaft an Gehäusedurchführungen haften
- Keine Wasseraufnahme zeigen (unter 0,5 Prozent nach DIN EN 60068)
- Über den gesamten Temperaturbereich dicht bleiben
6. Materialvergleich nach Anwendung
| Anwendung | Material | Eigenschaft | Typischer Wert |
|---|---|---|---|
| Zelle-zu-Zelle Verklebung | Wärmeleitsilikon (2K) | Wärmeleitfähigkeit | 2,0 - 3,0 W/m·K |
| Strukturverklebung Modul-Gehäuse | Epoxid-Strukturklebstoff | Scherfestigkeit | 25 - 35 MPa |
| Gap-Filler (Zelle-Kühlplatte) | Hochleistungs-Silikon | Wärmeleitfähigkeit / Shore-Härte | 3,5 - 5,0 W/m·K / Shore A 40 |
| BMS-Verguss | Silikon-Vergussmasse | Durchschlagfestigkeit / Temp. | > 20 kV/mm / -60 bis +200 °C |
| Gehäuse-Dichtung | FIPG-Silikon (1K) | IP-Schutzklasse / Aushärtung | IP67/68 / 24 h bei 23 °C |
| Hochvolt-Verbinder | Polyurethan-Verguss | Shore-Härte / Reissfestigkeit | Shore D 50 / 15 MPa |
7. Dichtungen und Gasketing für Batteriegehäuse
Das Batteriegehäuse muss dauerhaft gegen Feuchtigkeit, Staub und Spritzwasser abgedichtet werden. Drei Technologien dominieren:
FIPG (Formed-in-Place Gasket)
Flüssigdichtungen werden robotergestützt als Raupen aufgetragen und härten zu elastischen Dichtungen aus. Einkomponenten-Silikone (RTV-1) härten durch Luftfeuchtigkeit in 24 Stunden aus. Vorteile: Keine Lagerbestände verschiedener Dichtungsgeometrien, automatisierbar, konstante Qualität. Wichtig: Präzise Dosierung (Raupenbreite 3 bis 5 mm) und definierte Fügespalte (0,5 bis 1,5 mm).
Butyl-Dichtungen
Vorkonfektionierte Butyl-Schnüre bleiben dauerhaft klebrig und dichten durch mechanischen Anpressdruck. Sie sind kostengünstig und schnell zu verarbeiten, bieten aber geringere Temperaturbeständigkeit als Silikone (typisch -30 °C bis +90 °C).
Hybrid-Dichtungssysteme
Kombination aus mechanischer Dichtung (O-Ring) und zusätzlicher Flüssigdichtung für höchste Anforderungen. Anwendung bei IP68-Gehäusen für Unterboden-Batteriepacks.
8. Normen und Qualifikationen für Batterie-Materialien
Klebstoffe und Vergussmassen für Batteriepacks müssen umfangreiche Prüfungen bestehen:
UN ECE R100
UN-Regelung für elektrische Sicherheit von Hochvolt-Fahrzeugen. Fordert Prüfungen auf mechanische Festigkeit, elektrische Isolation und Brandverhalten. Klebstoffe sind Teil der Crash-Struktur und müssen in die Gesamtzertifizierung einbezogen werden.
GB/T 31467 (China)
Chinesischer Standard für Lithium-Ionen-Batteriesysteme. Fordert unter anderem Thermal-Shock-Tests (-40 °C bis +85 °C) und Vibrationstests nach ISO 16750-3.
LV 123 (Volkswagen Konzern)
Prüfspezifikation für elektrische und elektronische Komponenten. Definiert Klimawechseltests, Korrosionsprüfungen und Ausgasungstests. Klebstoffe müssen Freigaben nach LV 123 K01 (Klimawechseltest) nachweisen.
UL94 V-0 (Flammschutz)
Forderung nach selbstverlöschenden Materialien. Vergussmassen und Klebstoffe müssen nach UL94 mindestens V-1, idealerweise V-0 klassifiziert sein. Wichtig: Halogenfrei für reduzierte Rauchgasentwicklung.
REACH und RoHS
Europäische Chemikalienverordnung und Beschränkung gefährlicher Stoffe. Alle Materialien müssen REACH-konform und RoHS-compliant sein. Besondere Beachtung: SVHC-Substanzen (Substances of Very High Concern) müssen deklariert werden.
9. Verarbeitungstipps für Batterie-Assembly
Dosierautomation
Moderne Batteriefertigung ist vollautomatisiert. Klebstoffe und Vergussmassen werden über Dosiersysteme appliziert:
- Zahnrad-Pumpen: Für niedrigviskose Materialien (unter 10.000 mPa·s)
- Exzenterschneckenpumpen: Für hochgefüllte Gap-Filler und thixotrope Materialien
- Pneumatische Kartuschen: Für manuelle Verarbeitung und Prototypen
- Vakuum-Vergussanlagen: Für hohlraumfreien BMS-Verguss
Wichtig: Materialien müssen über Chargen hinweg konstante Viskositäten aufweisen. Toleranzen von ±10 Prozent sind akzeptabel, grössere Schwankungen erfordern Anpassung der Dosierparameter.
Aushärtezeiten und Taktzeiten
Schnelle Aushärtung ist kritisch für hohe Durchsatzraten. Strategien:
- Wärmekammern (60 bis 80 °C) für beschleunigte Aushärtung von Epoxiden und Silikonen
- UV-härtende Acrylate für Sekundenverguss (Nische: Sensorik-Fixierung)
- Schnell-Epoxide mit 15-minütiger Fixtures-Zeit bei Raumtemperatur
Achtung: Zu schnelle Aushärtung kann zu Spannungen führen. Prozessvalidierung über Temperaturprofile ist essentiell.
Oberflächenvorbereitung
Aluminium-Oberflächen sollten entfettet (Isopropanol) und eventuell mit Plasma oder Corona vorbehandelt werden. Composite-Materialien erfordern oft Primer für optimale Haftung. Lackierte Oberflächen kritisch prüfen: Adhäsionsbruch kann am Lack auftreten, nicht am Klebstoff.
Rework und Reparierbarkeit
Silikon-Verklebungen und -Vergüsse lassen sich mechanisch entfernen (Schneiden, Herausfräsen). Epoxid-Verklebungen sind praktisch nicht lösbar und erfordern destruktive Demontage. Design for Rework: Trennfugen vorsehen, Module austauschbar gestalten.
10. Häufig gestellte Fragen (FAQ)
Qualifizierte Klebstoffe und Vergussmassen sind für die gesamte Fahrzeuglebensdauer ausgelegt (typisch 10 bis 15 Jahre oder 3.000 bis 5.000 Ladezyklen). Entscheidend sind Materialauswahl und Prozessqualität. Silikone zeigen auch nach 20 Jahren in Beschleunigungstests (Arrhenius) keine Versprödung. Epoxide können bei dauerhafter Hochtemperaturbelastung über 120 °C nachhärten und verspröden – deshalb sind Temperaturprofile im Lastenheft kritisch.
Das hängt vom Klebstoffsystem ab. Silikon-Verklebungen lassen sich mechanisch trennen (Schneiden mit Draht oder Klinge). Strukturklebstoffe auf Epoxid-Basis sind praktisch nicht lösbar – hier ist destruktive Demontage nötig. Bei modernen Cell-to-Pack-Designs (CTP) werden Zellen direkt ins Gehäuse integriert, Austausch ist nicht vorgesehen. Modulare Bauweisen mit Schraubverbindungen plus Klebstoff ermöglichen bessere Reparierbarkeit, erfordern aber mehr Bauraum.
Mindestanforderung ist UL94 V-1 (vertikaler Brenntest, selbstverlöschend innerhalb 30 Sekunden). Premium-Anwendungen fordern UL94 V-0 (selbstverlöschend innerhalb 10 Sekunden, kein brennendes Abtropfen). Zusätzlich wird zunehmend LOI (Limiting Oxygen Index) über 28 Prozent gefordert. Halogenfreie Formulierungen sind Standard, um im Brandfall toxische Gase zu vermeiden. Wichtig: Flammschutz darf thermische und elektrische Eigenschaften nicht beeinträchtigen.
Batteriezellen dehnen sich beim Laden und Temperaturwechsel aus (typisch 0,5 bis 2 mm bei grossen Formaten). Elastische Klebstoffe mit niedrigem E-Modul (unter 10 MPa) kompensieren diese Bewegungen. Gap-Filler mit Shore A 20 bis 40 sind ideal. Bei Strukturverklebungen mit steifen Epoxiden muss die Klebfuge so dimensioniert werden, dass Scherspannungen aufgenommen werden. Faustregel: Je grösser die Temperaturdifferenz und je unterschiedlicher die Materialien (Aluminium vs. Composite), desto elastischer muss der Klebstoff sein.
Ja, moderne Batterieproduktion ist hochautomatisiert. Dosiersysteme mit robotergeführten Applikatoren erreichen Genauigkeiten von ±1 Prozent. Inline-Kontrolle über Kamerasysteme (Beadvision) prüft Raupengeometrie und Positionierung. Kritisch sind Material-Konsistenz (Viskosität, Mischungsverhältnis) und Umgebungsbedingungen (Temperatur, Luftfeuchtigkeit bei RTV-1-Silikonen). Grosse Hersteller setzen auf geschlossene Material-Supply-Systeme mit Temperierung und kontinuierlicher Durchmischung. Taktzeiten unter 60 Sekunden pro Batteriepack sind Stand der Technik.
Sicherheitshinweis: Arbeiten an Hochvolt-Batteriepacks
Batteriepacks enthalten Spannungen bis 800 V mit hohen Strömen. Arbeiten dürfen nur durch qualifiziertes Personal mit Hochvolt-Schulung (HV-1, HV-2, HV-3 nach DGUV Information 200-005) durchgeführt werden. Vor Öffnen des Packs: Spannungsfreiheit prüfen, 5-Sicherheitsregeln beachten, persönliche Schutzausrüstung (isolierte Werkzeuge, Gesichtsschutz) verwenden. Lithium-Ionen-Zellen können bei Beschädigung Thermal Runaway erleiden – niemals mechanisch belasten oder kurzschliessen.
