Ein Wärmeleitmaterial aus Kohlenstofffasern leitet Wärme über eine Verbindungsstelle, indem es leitfähige Fasern durch die Klebefuge nach oben richtet. Dies unterscheidet es von den mit Keramik gefüllten Pads, die in den meisten Akkupacks noch verwendet werden. Für Ingenieure, die Wärme von den Zellen zu einer Kühlplatte leiten, ist dieser strukturelle Unterschied entscheidend: Die Fasern können entlang ihrer Länge deutlich mehr Wärme transportieren als jedes partikelgefüllte Silikon. Dieser Vorteil zeigt sich jedoch nur, wenn die Fasern quer zum Spalt ausgerichtet sind, nicht wenn sie flach liegen. In den folgenden Abschnitten wird erläutert, wie diese Materialien funktionieren, woher die Werte für die Wärmeleitfähigkeit in Faserrichtung stammen, welche elektrischen Eigenschaften in der Nähe von lebenden Zellen relevant sind und wie man beurteilt, ob ein solches Material anstelle eines herkömmlichen Spaltfüllers für den jeweiligen Akkupack geeignet ist.
Was ein thermisches Schnittstellenmaterial aus Kohlenstofffasern eigentlich ist
Ein Wärmeleitmaterial aus Kohlenstofffasern ist ein Polymer, üblicherweise Silikon, das mit Kohlenstofffasern angereichert ist, welche die beiden zusammenpassenden Oberflächen verbinden. Die Fasern übernehmen die Wärmeleitung, während die Matrix für Benetzung, Flexibilität und Handhabung sorgt. Dank seiner geringen Härte passt sich das Material der mikroskopischen Rauheit jeder Oberfläche an. Da eine einzelne Kohlenstofffaser Wärme in einer Richtung gut und in den anderen schlecht leitet, ist die Anordnung der Fasern innerhalb der Matrix wichtiger als die Fasermenge im Material.
Zwei völlig unterschiedliche Produkte werden unter demselben Namen angeboten, und die Annahme, sie seien austauschbar, führt zu Fehlentscheidungen. Das eine ist ein Kurzfaserverbundwerkstoff mit zufällig verteilten Fasern, die in alle Richtungen zeigen und nur teilweise entlang des Wärmeleitpfads ausgerichtet sind. Das andere ist ein vertikal ausgerichtetes Faserarray, bei dem die Fasern gezielt über die Klebefuge hinweg aufgestellt sind, um durchgehende Leitungskanäle zu bilden. Bevor Sie die Leitfähigkeitswerte verschiedener Produkte vergleichen, sollten Sie unbedingt prüfen, welches der beiden Produkte im Datenblatt beschrieben ist.
Die Matrix dient nicht nur der Verbindung: Ihre Weichheit ist ein wesentliches Merkmal und kein nachträglicher Aspekt. Ein nachgiebiges Silikon mit geringer Härte ermöglicht es der Folie, sich unter mäßigem Druck zu verformen, sodass die Fasern tatsächlich beide Oberflächen berühren, anstatt sich über Unebenheiten zu wölben. Dieser Kontakt bewirkt, dass die nominelle Wärmeleitfähigkeit in eine tatsächliche Wärmeübertragung über eine nicht perfekte Verbindung umgewandelt wird. Eine höhere Härte, die das Pad robuster machen soll, erhöht die zum Schließen der Schnittstelle benötigte Montagekraft. Dies ist relevant, wenn es sich bei den Bauteilen auf beiden Seiten um Batteriezellen handelt, die nur begrenzte Belastungen vertragen.
Warum die Faserorientierung und nicht der Fasergehalt die Leitfähigkeit senkrecht zur Faserebene bestimmt
Die Faserorientierung bestimmt die Wärmeleitfähigkeit senkrecht zur Faserebene, da Kohlenstofffasern stark anisotrop sind: Laut Literaturangaben liegt ihre axiale Wärmeleitfähigkeit bei etwa 900 W/(m·K) und ihre radiale bei etwa 5 W/(m·K). Steht die Faser senkrecht zur Klebefuge, bildet sie eine hochleitfähige Brücke zwischen den beiden Oberflächen; liegt sie flach, trägt dieselbe Faser kaum zum Wärmefluss bei, der für den Ingenieur relevant ist. Der Einsatz von mehr, zufällig orientierten Fasern erhöht die Kosten und die Steifigkeit schneller, als er die nutzbare Wärmeleitfähigkeit senkrecht zur Faserebene steigert.
Der Einfluss der Faserorientierung ist erheblich und wurde direkt gemessen. In einer von Fachkollegen begutachteten Studie zu magnetisch ausgerichteten Kohlenstofffaser-Silikonen stieg die Leitfähigkeit senkrecht zur Faserebene von etwa 1,69 W/(m·K) ohne Ausrichtung auf etwa 11,76 W/(m·K), nachdem die Fasern vertikal ausgerichtet wurden. Beide Werte basieren auf der gleichen 20%-Beladung (bezogen auf das Faservolumen). Die praktische Schlussfolgerung für den Leser von Datenblättern ist einfach: Ein Wert für die Leitfähigkeit senkrecht zur Faserebene ist ohne die zugrunde liegende Orientierungsmethode wenig aussagekräftig, da sich die gleiche Zusammensetzung allein durch die Anordnung der Fasern um ein Vielfaches unterscheiden kann.
Die Ausrichtung der Fasern ist die größte Herausforderung und beeinflusst sowohl die Leistung als auch die Kosten. Im Labor werden die Fasern häufig mit starken Magnetfeldern ausgerichtet, während in der Produktion mechanische oder strömungsbasierte Orientierungsverfahren zum Einsatz kommen, die zwar besser skalierbar, aber schwieriger perfekt umzusetzen sind. Beim Vergleich von Kandidaten sollte das Verhältnis der Leitfähigkeit senkrecht zur Faserebene als aussagekräftigster Indikator für die Ausrichtungsqualität betrachtet werden. Bevor man sich auf einen einzelnen angegebenen Wert verlässt, sollte man sich vergewissern, wie der Lieferant diesen Wert misst.
Die Wärmeleitfähigkeit des Materials deckt nur die Hälfte des Wärmepfads ab, da der Widerstand, der das Kühlmittel erreicht, die beiden Kontaktflächen sowie die Dicke der Klebefuge umfasst, mit der die Verbindung fixiert wird. Ein gut ausgerichtetes Fasernetzwerk kann durch schlechten Oberflächenkontakt oder durch eine Kompression, die den Spalt nicht vollständig schließt, beeinträchtigt werden. Der relevante Vergleichswert ist daher der effektive, in-situ gemessene Wärmewiderstand unter dem tatsächlichen Montagedruck, nicht die im Datenblatt angegebene Wärmeleitfähigkeit des Materials. Fragen Sie Lieferanten nach der Wärmeimpedanz bei einem bestimmten Druck und einer bestimmten Klebefuge, da dieser Wert den Kontaktwiderstand berücksichtigt, anders als ein reiner W/(m·K)-Wert.
Der elektrische Kompromiss, der neben Batteriezellen von Bedeutung ist
Derselbe Kohlenstoff, der Wärme leitet, leitet auch Strom. Daher ist die elektrische Isolation die entscheidende Frage für jedes kohlenstofffaserverstärkte Wärmeleitmaterial (TIM), das in der Nähe von lebenden Zellen eingesetzt wird. Sobald der Kohlenstoff- oder Metallfüllstoff eine bestimmte Perkolationsschwelle überschreitet, steigt die elektrische Leitfähigkeit des Materials zusammen mit seiner Wärmeleitfähigkeit. Keramische Füllstoffe wie Aluminiumoxid verhalten sich anders und bleiben auch bei hohen Füllstoffgehalten elektrisch isolierend. Dieser eine Eigenschaftsunterschied bestimmt oft die Materialklasse, noch bevor die thermische Leistung diskutiert wird.
In einem Akkupack ist dieser Kompromiss nicht rein theoretischer Natur. Akkupacks für Elektrofahrzeuge und Energiespeicher arbeiten mit Spannungen von mehreren hundert Volt, und jedes Material, das eine Zelloberfläche mit einer geerdeten Kühlplatte verbindet, muss dieser Spannung standhalten. Daher ist neben der Leitfähigkeit auch die Durchschlagsfestigkeit Teil der Zulassungsprüfung. Wenn die Schnittstelle selbst die Isolation gewährleisten muss, ist ein elektrisch leitfähiges Kohlefaserpad ungeeignet, egal wie gut seine Durchschlagsfestigkeit in Dickenrichtung auch erscheinen mag, es sei denn, eine separate Barriereschicht sorgt für die Isolation.
Die Unterscheidung zwischen leitenden und isolierenden Materialien zieht sich durch das gesamte thermische Design, nicht nur durch Gehäuse aus Kohlefaser. Der Unterschied zwischen einem leitenden Material Graphitfolie und ein isolierendes Wärmeleitpad aus Silikon Das lässt sich direkt übertragen: Eine hohe Rohleitfähigkeit ist wenig wert, wenn die Anwendung die Schnittstelle benötigt, um Spannungen abzuhalten.
Formen von Wärmeleitpasten aus Kohlenstofffaser und ihre Position unter den Wärmeleitpastentypen
Kohlenstofffaser-Wärmeleitpasten (TIMs) kommen hauptsächlich als komprimierbare Pads und Spaltfüller, nicht aber als Schmierfette zum Einsatz, da das Fasernetzwerk eine feste Matrix benötigt, um seine Ausrichtung unter Kompression beizubehalten. Innerhalb der breiteren TIM-Familie, die Schmierfette, Spaltfüller, Spaltpads, Phasenwechselfilme und Klebstoffe umfasst, nimmt ein orientiertes Kohlenstofffaserpad eine Sonderstellung im Bereich der hochleitfähigen, elektrisch leitfähigen Materialien ein. Diese Nische ist klein und spezialisiert und kein Standard für allgemeine Anwendungen.
Der Vergleich mit den Alternativen erleichtert die Auswahl, und die drei kohlenstoff- und keramikbasierten Optionen, die Ingenieure am häufigsten in Betracht ziehen, lassen sich wie folgt zusammenfassen:
| Schnittstellenoption | Durch die Ebene gerichtete Leitfähigkeit | Elektrischer Status | Anpassungsfähigkeit | Typische Passform |
|---|---|---|---|---|
| Orientiertes Kohlefaserpad | Hoch; kann bei guter Ausrichtung zweistellige Werte in W/(m·K) erreichen. | Leitfähig | Nachgiebig, geringe Härte | Hoher Wärmestrom, wenn die Isolierung separat gehandhabt wird oder nicht erforderlich ist |
| Keramikgefüllter Spaltfüller | Niedrige einstellige Werte, typisch für kommerzielle Teile | Isolierung | Sehr anpassungsfähig, füllt unebene Lücken aus | Große, variable Modul-Platten-Spaltstellen, die eine Isolation erfordern |
| Graphitblock oder -blatt | Hohe Empfindlichkeit in der Ebene, mittlere Empfindlichkeit senkrecht zur Ebene | Leitfähig | Steif und spröde | Wärmeverteilung, nicht dicke Spaltfüllung |
Die Wahl zwischen ihnen ist sowohl eine Entscheidung über die Verbindung als auch über das Material, weshalb die Auswahl des richtigen Schnittstellenmaterials für die Anwendung Ausgangspunkt ist die Lücke und die Isolationsanforderung, nicht die Leitfähigkeitsrangfolge.
Einbau einer Wärmeleitpaste aus Kohlefaser in den Wärmepfad zwischen Zelle und Kühlmittel
Die Auswahl eines Wärmeleitmaterials aus Kohlenstofffasern beginnt mit der Verbindung, nicht mit dem Material selbst. Spaltbreite und deren Abweichungen zwischen den Bauteilen, Ebenheit der Kontaktflächen, die zulässige Belastung der Zellen, die Notwendigkeit einer isolierenden Grenzfläche und die Art der Materialauftragung bestimmen die Vorauswahl, noch bevor die Leitfähigkeit eine Rolle spielt. Werden diese Kriterien nicht erfüllt, erreicht eine hohe Wärmeleitfähigkeit in Dickenrichtung das Kühlmittel nicht, da die Wärme an einer zu dicken, zu steifen oder elektrisch isolierten Klebefuge staut.
Ein orientiertes Kohlenstofffaser-Pad rechtfertigt seinen höheren Preis dort, wo die Wärmestromdichte hoch ist und eine Isolation entweder nicht erforderlich ist oder durch eine andere Schicht, wie z. B. eine beschichtete Kühlplatte oder einen dielektrischen Film, gewährleistet wird. Für die großen, Toleranzen aufnehmenden Spalte zwischen einem Modul und einer Kühlplatte ist ein herkömmlicher, mit Keramik gefüllter Spaltfüller oft die pragmatische Wahl, da er selbstisolierend wirkt, unebene Spalten ausfüllt und sich in automatisierten Anlagen sauber auftragen lässt. Dies gilt auch dann, wenn seine Wärmeleitfähigkeit in Dickenrichtung üblicherweise nur im niedrigen einstelligen Bereich von W/(m·K) angegeben wird.
Formfaktor und Prozess beeinflussen sich stärker, als die Wärmeleitfähigkeit vermuten lässt. Ein vor Ort ausgehärtetes oder aufgetragenes Material lässt sich automatisiert verarbeiten und schließt unregelmäßige Spalten, erschwert aber die Nachbearbeitung. Ein gestanztes Pad lässt sich sauber positionieren und entnehmen, erfordert jedoch ebene Oberflächen und eine feste Klebefuge. Ob die Schnittstelle ebenfalls kleben oder lediglich leitend sein muss, während ein separater Klebstoff oder ein Befestigungselement die Last trägt, ist eine von der Wärmeleitfähigkeit unabhängige Entscheidung. Sie beeinflusst das erforderliche Aushärtungs- und Strukturverhalten des Materials. Ein Kohlefaserpad mit hervorragender Wärmeleitfähigkeit, das sich jedoch nicht an eine Dosierlinie anpassen oder die Belastungen der Packungsmontage nicht aushalten lässt, ist einem Material mit geringerer Wärmeleitfähigkeit, das besser zum Prozess passt, unterlegen.
Welches Wärmeleitmaterial sich auch durchsetzt, seine Leistung hängt maßgeblich von der dahinterliegenden Kühlplatte ab. Daher sollten Wärmeleitmaterial und Kühlmittelpfad als ein einziger Wärmeleitpfad betrachtet werden. Trumonytechs entwickelt Wärmeleitmaterialien und passende Flüssigkeitskühlkomponenten für Batteriespeicher von Elektrofahrzeugen und Energiespeichersystemen. Die Kombination von Wärmeleitschicht und Kühlplatte ist genau der Punkt, an dem unsere Expertise liegt. TIM-Lösungen sind darauf ausgerichtet, anstatt das TIM als ein einzelnes Bauteil zu betrachten, das allein aufgrund seiner Leitfähigkeit ausgewählt wird.
Was man über Wärmeleitpasten aus Kohlefaser wissen sollte
Die wichtigste Erkenntnis ist, dass bei einem Wärmeleitmaterial aus Kohlenstofffasern die Ausrichtung der Fasern und erst in zweiter Linie die Leitfähigkeit entscheidend ist. Die Fasern wirken nur dann, wenn sie die Klebefuge quer zur Faserachse durchdringen, und selbst die gleiche Zusammensetzung kann sich je nach Ausrichtung der Fasern erheblich unterscheiden. Ein häufiges Missverständnis besteht darin, einen Messwert für die Leitfähigkeit in Dickenrichtung als unumstößlichen Wert zu betrachten. Dieser Wert ist jedoch nur im Zusammenhang mit der verwendeten Ausrichtungsmethode und den für die Anwendung zulässigen elektrischen Eigenschaften aussagekräftig. Für einen Akku bedeutet dies, die Isolationsanforderungen und den tatsächlichen Spalt zwischen Zelle und Kühlkörper zu berücksichtigen, bevor die Leitfähigkeit in den Vergleich einfließt, und die Schnittstelle als Teil des Kühlkreislaufs zwischen Zelle und Kühlkörper zu spezifizieren, nicht isoliert.
FAQ
Ist ein Wärmeleitmaterial aus Kohlenstofffasern elektrisch leitfähig?
Kohlenstofffaser-TIMs sind im Allgemeinen elektrisch leitfähig, da der wärmeleitende Kohlenstoff auch Strom leitet, sobald der Füllstoff ein zusammenhängendes Netzwerk bildet. Daher eignen sie sich nicht für Anwendungen, bei denen die Schnittstelle selbst eine Zelloberfläche von einer geerdeten Kühlplatte isolieren muss, es sei denn, eine separate dielektrische Schicht gewährleistet die Isolation. Ist eine Isolation vom Schnittstellenmaterial erforderlich, stellt eine elektrisch isolierende, keramikgefüllte Option die sicherere Wahl dar.
Spaltfüller aus Kohlenstofffaser oder Keramik für eine Kühlplatte einer Elektrofahrzeugbatterie?
Für die meisten Verbindungen zwischen Modul und Kühlplatte wird standardmäßig ein mit Keramik gefüllter Spaltfüller verwendet, da dieser selbstisolierend wirkt und große, variable Spalten ausgleicht. Ein orientiertes Kohlenstofffaserpad hingegen ist für Schnittstellen mit hohem Wärmefluss reserviert, bei denen die Isolation an anderer Stelle erfolgt. Entscheidend sind die Isolationsanforderungen, die Größe und Variation des Spalts sowie die Belastung, der die Zellen während der Montage standhalten müssen – nicht allein die Leitfähigkeit.
Um wie viel erhöht die Ausrichtung der Fasern die Leitfähigkeit senkrecht zur Faserebene?
Durch die Ausrichtung der Fasern lässt sich die Leitfähigkeit senkrecht zur Faserebene bei gleichem Faseranteil um ein Vielfaches steigern. In einer von Fachkollegen durchgeführten Untersuchung von magnetisch ausgerichteten Kohlenstofffaser-Silikonen erhöhte sich die Leitfähigkeit senkrecht zur Faserebene bei einem Volumenanteil von 20%-Fasern von etwa 1,69 auf 11,76 W/(m·K), nachdem die Fasern vertikal ausgerichtet wurden. Daher ist die Qualität der Ausrichtung wichtiger als der Faseranteil.
Benötige ich ein vertikal ausgerichtetes Kohlefaserpad oder reicht ein handelsüblicher Silikon-Spaltfüller aus?
Ein handelsüblicher Silikon-Spaltfüller ist in der Regel ausreichend, wenn die Schnittstelle isolieren muss und der Spalt groß oder uneben ist, was auf die meisten Modul-Platten-Verbindungen zutrifft. Ein vertikal ausgerichtetes Kohlefaserpad ist nur dann wirtschaftlich, wenn der Wärmefluss hoch ist, der Spalt gut kontrolliert wird und eine elektrische Isolation entweder nicht erforderlich ist oder durch eine andere Schicht gewährleistet wird. Prüfen Sie die Isolationsanforderungen und den tatsächlichen Spalt, bevor Sie für die Ausrichtung bezahlen.
Kann sich ein Wärmeleitmaterial aus Kohlenstofffasern an eine unebene Oberfläche eines Batteriemoduls anpassen?
Die Anpassungsfähigkeit resultiert aus der Matrix, nicht aus den Fasern. Daher kann sich eine Silikonfolie mit geringer Härte unter Montagedruck leicht verformen und eine geringe Oberflächenrauheit aufweisen. Bei großen oder stark variierenden Modul-Platten-Spalten füllt ein sehr flexibler, mit Keramik gefüllter Spaltfüller unebene Oberflächen jedoch immer noch besser aus, und zwar ohne Bedenken hinsichtlich der elektrischen Leitfähigkeit. Passen Sie Härte und Dicke des Pads an den gemessenen Spalt und die Ebenheit an, bevor Sie davon ausgehen, dass ein Kohlefaserteil den Spalt schließen kann.
Weiterführende Literatur
- Hochleistungsfähige Wärmeleitmaterialien mit magnetisch ausgerichteten Kohlenstofffasern — Peer-Review-Studie (Open Access). Unterstützt die oben verwendeten Werte für die Leitfähigkeit senkrecht zur Faserebene und die Faseranisotropie und dokumentiert, wie die Ausrichtungsmethode das Ergebnis beeinflusst.
- Thermische Barrieren für Batterien in der Elektromobilität: Innovationen und Lösungen — Fachartikel für die Industrie. Kontext für das Wärmemanagement auf Packebene, Spaltfüller und die Anforderungen an die elektrische Isolation von Hochspannungspacks.
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