DE102024104888A1 - Energy storage device - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Energiespeichervorrichtung umfassend ein Energiespeichermedium und eine das Energiespeichermedium verhüllende Schutzstruktur mit Faser-Matrix-Komposit-Protektor, ein Faser-Matrix-Komposit-Protektor sowie ein Faser-Matrix-Halbzeug zur Herstellung dieses Faser-Matrix-Komposit-Protektors. The invention relates to an energy storage device comprising an energy storage medium and a protective structure enclosing the energy storage medium with a fiber-matrix composite protector, a fiber-matrix composite protector and a fiber-matrix semi-finished product for producing this fiber-matrix composite protector.
Description
GEGENSTAND DER ERFINDUNGSUBJECT OF THE INVENTION
Die Erfindung betrifft eine Energiespeichervorrichtung umfassend ein Energiespeichermedium und eine das Energiespeichermedium verhüllende Schutzstruktur mit Faser-Matrix-Komposit-Protektor, ein Faser-Matrix-Komposit-Protektor sowie ein Faser-Matrix-Halbzeug zur Herstellung dieses Faser-Matrix-Komposit-Protektors.The invention relates to an energy storage device comprising an energy storage medium and a protective structure enclosing the energy storage medium with a fiber-matrix composite protector, a fiber-matrix composite protector and a fiber-matrix semi-finished product for producing this fiber-matrix composite protector.
HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION
Im Zuge der steigenden Nachfrage nach modernen Energiespeicherungskonzepten, insbesondere im Bereich der Wasserstoff- oder Batterieelektrofahrzeuge, werden immer größere Energiespeichereinheiten mit immer höherer Energiedichte, insbesondere Wasserstofftanks oder Batteriemodule, verbaut. Kommt es zur unkontrollierten Freisetzung der (chemisch) gespeicherten Energie kann das zu katastrophalen Bränden führen. Unter anderem kann ein solcher Vorgang durch eine mechanische Beschädigung der Energiespeichervorrichtung ausgelöst werden. Zunehmend werden in solchen Energiespeichervorrichtungen Schutzstrukturen aus Faserverbundmaterial verwendet, da diese gegenüber Metallen bei der Kombination der Anforderungen an Brandschutz, Crashsicherheit, Isolation und Leichtbau Vorteile aufweisen. Durch ihren typischen lagenbasierten Aufbau und die prozessbedingt zeitgleiche Herstellung von Material und daraus bestehendem Bauteil bieten Faserverbundwerkstoffe im Vergleich zu Metallen viel bessere Anpassungsmöglichkeiten an die spezifischen Anforderungen des Bauteils.Due to the increasing demand for modern energy storage concepts, particularly in the field of hydrogen or battery-electric vehicles, ever larger energy storage units with ever higher energy densities, especially hydrogen tanks or battery modules, are being installed. An uncontrolled release of the (chemically) stored energy can lead to catastrophic fires. Among other things, such a process can be triggered by mechanical damage to the energy storage device. Protective structures made of fiber composite materials are increasingly being used in such energy storage devices, as they offer advantages over metals in combining the requirements of fire protection, crash safety, insulation, and lightweight construction. Due to their typical layer-based structure and the process-related simultaneous production of the material and the resulting component, fiber composite materials offer much better adaptation options to the specific requirements of the component than metals.
Aus dem Stand der Technik sind bereits Faserverbundbauteile bekannt, mit welchen besser dem obigen Anforderungsprofil entsprochen werden kann, insbesondere, indem diese unterschiedliche Funktionalitäten, wie z. B. eine flammhemmende Wirkung, eine besondere mechanische Stabilität, Dichtheit oder eine elektromagnetische Abschirmung, kombiniert verwirklichen.Fiber composite components are already known from the state of the art which can better meet the above requirement profile, in particular by combining different functionalities, such as flame-retardant properties, special mechanical stability, tightness or electromagnetic shielding.
Die
Zwar können mit den oben beschriebenen Faserverbundbauteilen Energiespeichermedien, wie Batterien oder Tanks, durch äußere Beeinträchtigungen wie Flammaktivität oder mechanische Belastungen besser geschützt werden, allerdings ist in vielen Anwendungen, insbesondere im Bereich der Batterietechnik, dieser Schutz unzureichend und/oder erfordert eine derartig massive Ausführung der Schutzstruktur, dass der Einsatz von Verbundmaterialien nicht mehr kompetitiv möglich ist. Alternativ können dem Kompositbauteil erhebliche Mengen flammhemmende oder flammlöschende Additive wie Phosphate oder Aluminiumhydroxid zugefügt werden, um die Brandschutzeigenschaften zu verbessern. Diese Anpassungen führen jedoch sowohl prozessseitig (Ausschusserhöhung und/oder längere Produktionszeiten) als auch produktseitig (Gewichtserhöhung) zu Performanceeinbußen. Zudem erfordert die kontinuierlich steigende Leistungsdichte der Batterien eine immer höhere Brandschutzperformance, welche durch die Limitationen der aktuellen Technik (Additivgehalt kann nicht beliebig gesteigert werden) nicht erreicht werden kann. Darüber hinaus ist die Freisetzung derartiger flammhemmender Verbindungen im Brandfall unter Umweltaspekten oftmals kritisch zu bewerten.Although the fiber composite components described above can provide better protection for energy storage media, such as batteries or tanks, against external influences such as flame activity or mechanical stress, in many applications, particularly in battery technology, this protection is inadequate and/or requires such a massive protective structure that the use of composite materials is no longer competitive. Alternatively, significant amounts of flame-retardant or flame-extinguishing additives, such as phosphates or aluminum hydroxide, can be added to the composite component to improve fire protection properties. However, these adjustments lead to performance losses both on the process side (increased scrap and/or longer production times) and on the product side (increased weight). In addition, the continuously increasing power density of batteries requires ever-increasing fire protection performance, which cannot be achieved due to the limitations of current technology (additive content cannot be increased indefinitely). Furthermore, the release of such flame-retardant compounds in the event of a fire often requires critical consideration from an environmental perspective.
AUFGABETASK
Vor diesem Hintergrund bestand die Aufgabe der vorliegenden Erfindung daher darin, eine Energiespeichervorrichtung bereitzustellen, mit welcher die oben beschriebenen Nachteile überwunden werden können, und welche eine Funktionsintegration unterschiedlicher Funktionalitäten ermöglicht und/oder insbesondere eine verbesserte Schutzwirkung in Bezug auf flammabrasive- und/oder mechanische Belastungen aufweist, ohne dass hiermit eine reduzierte Prozessierbarkeit und/oder ein erhöhtes Bauteilgewicht und/oder ein erhöhter Bauraum einhergeht.Against this background, the object of the present invention was therefore to provide an energy storage device with which the disadvantages described above can be overcome and which enables a functional integration of different functionalities and/or in particular has an improved protective effect with regard to flame-abrasive and/or mechanical loads, without this being accompanied by reduced processability and/or increased component weight and/or increased installation space.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDESCRIPTION OF THE INVENTION
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Energiespeichervorrichtung, insbesondere zur Versorgung eines Antriebs, wie eines elektrischen Traktionsantriebs, beispielsweise für ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug, mit einem oder mehreren Energiespeichermedien und eine das Energiespeichermedium zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, verhüllende Schutzstruktur. Die Energiespeichervorrichtung kann natürlich auch mehrere Energiespeichermedien, z.B. mehrere Batterien, umfassen. Die Schutzstruktur umfasst oder besteht aus einem Faser-Matrix-Komposit-Protektor, der ein Matrixmaterial und ein von dem Matrixmaterial zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, eingebettetes Fasermaterial mit Lang- und/oder Endlosfasern, umfasst. Das Matrixmaterial umfasst ein Matrixpolymermaterial oder besteht aus diesem, wobei der Kohlenstoffanteil des Matrixpolymermaterials ≥ 30 Gew.-%, vorzugsweise ≥ 40 Gew.-%, bevorzugter ≥ 50 Gew.-%, noch stärker bevorzugt ≥ 60 Gew.-%, noch erheblich stärker bevorzugt ≥ 60 Gew.-%, noch wesentlich erheblich stärker bevorzugt ≥ 65 Gew.-% oder ≥ 70 Gew.-%, und am bevorzugtesten ≥ 75 Gew.-% oder ≥ 80 Gew.-% oder sogar ≥ 85 Gew.-%, ist.This object is achieved according to the invention by an energy storage device, in particular for supplying a drive, such as an electric traction drive, for example for a hybrid or electric vehicle, with one or more energy storage media and a protective structure that at least partially, preferably completely, envelops the energy storage medium. The energy storage device can of course also comprise several energy storage media, e.g. several batteries. The protective structure comprises or consists of a fiber-matrix composite protector, which comprises a matrix material and a fiber material with long and/or continuous fibers, at least partially, preferably completely, embedded in the matrix material. The matrix material comprises a mat matrix polymer material or consists of it, wherein the carbon content of the matrix polymer material is ≥ 30 wt.%, preferably ≥ 40 wt.%, more preferably ≥ 50 wt.%, even more preferably ≥ 60 wt.%, even considerably more preferably ≥ 60 wt.%, even considerably more preferably ≥ 65 wt.% or ≥ 70 wt.%, and most preferably ≥ 75 wt.% or ≥ 80 wt.% or even ≥ 85 wt.%.
Vorzugsweise ist der Kohlenstoffanteil des Matrixmaterials ≥ 30 Gew.-%, vorzugsweise ≥ 40 Gew.-%, bevorzugter ≥ 50 Gew.-%, noch stärker bevorzugt ≥ 60 Gew.-%, noch erheblich stärker bevorzugt ≥ 60 Gew.-%, noch wesentlich erheblich stärker bevorzugt ≥ 65 Gew.-% oder ≥ 70 Gew.-%, und am bevorzugtesten ≥ 75 Gew.-% oder ≥ 80 Gew.-% oder sogar ≥ 85 Gew.- %.Preferably, the carbon content of the matrix material is ≥ 30 wt.%, preferably ≥ 40 wt.%, more preferably ≥ 50 wt.%, even more preferably ≥ 60 wt.%, even more preferably ≥ 60 wt.%, even more preferably ≥ 65 wt.% or ≥ 70 wt.%, and most preferably ≥ 75 wt.% or ≥ 80 wt.% or even ≥ 85 wt.%.
Der Anteil des Elementes Kohlenstoff an der Elementarzusammensetzung des Matrixmaterials und des Matrixpolymermaterials kann mit Hilfe quantitativer Elementaranalyse ermittelt werden.The proportion of the element carbon in the elemental composition of the matrix material and the matrix polymer material can be determined using quantitative elemental analysis.
Die erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung umfasst eine verhüllende Schutzstruktur, wie ein Gehäuse oder ein Rahmen, d.h. eine konstruktive Einheit oder Vorrichtung, die dazu dient, ihre Inhalte vor äußeren Einflüssen zu bewahren und zu schützen. Verhüllen bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Schutzstruktur vollständig oder teilweise die Oberfläche des Energiespeichermediums verhüllt und hierdurch schützt. Beispielsweise kann die Schutzstruktur eine Seite einer Batterie oder einen Abschnitt hiervon unmittelbar oder mittelbar verhüllen, beispielsweise indem diese eine Seite der Batterie teilweise direkt bedeckt. Diese Einflüsse können mechanischer, thermischer, chemischer oder elektrischer Natur sein. Die Schutzstruktur umfasst mindestens einen Protektor, welcher erfindungsgemäß ein Faser-Matrix-Komposit ist. Dieser dient in der Schutzstruktur dazu, das Energiespeichermedium mindestens vor thermischer und mechanischer Belastung, beispielsweise durch von außen einwirkende Objekte, insbesondere in einem Crashszenario, wenn die Energiespeichervorrichtung in einem Fahrzeug verbaut ist, zu schützen. Ein Energiespeichermedium ist ein System, das Energie in einer Form speichert, die zu einem späteren Zeitpunkt genutzt werden kann. The energy storage device according to the invention comprises an enveloping protective structure, such as a housing or a frame, i.e., a structural unit or device that serves to preserve and protect its contents from external influences. Enveloping in this context means that the protective structure completely or partially envelops the surface of the energy storage medium and thereby protects it. For example, the protective structure can directly or indirectly envelop one side of a battery or a portion thereof, for example, by partially directly covering one side of the battery. These influences can be mechanical, thermal, chemical, or electrical in nature. The protective structure comprises at least one protector, which according to the invention is a fiber-matrix composite. This protector serves in the protective structure to protect the energy storage medium at least from thermal and mechanical stress, for example, from externally acting objects, particularly in a crash scenario when the energy storage device is installed in a vehicle. An energy storage medium is a system that stores energy in a form that can be used at a later time.
Hierzu zählen, und sind erfindungsgemäß besonders bevorzugt, chemische Speichermedien wie Batterien.These include, and are particularly preferred according to the invention, chemical storage media such as batteries.
Die Schutzstruktur kann mehrere Elemente umfassen, wobei eines der Elemente der Faser-Matrix-Komposit-Protektor ist. Die Schutzstruktur kann auch mehrere Faser-Matrix-Komposit-Protektoren umfassen. Die Schutzstruktur kann jedoch auch aus dem Faser-Matrix-Komposit-Protektor, beispielsweise einem plattenförmigen Faser-Matrix-Komposit-Protektor, bestehen.The protective structure may comprise multiple elements, one of which is the fiber-matrix composite protector. The protective structure may also comprise multiple fiber-matrix composite protectors. However, the protective structure may also consist of the fiber-matrix composite protector, for example, a plate-shaped fiber-matrix composite protector.
In einer bevorzugten Ausführungsform verhüllt die Schutzstruktur ≥ 20 % der Oberfläche des Energiespeichermediums, bevorzugter ≥ 40 % der Oberfläche, noch bevorzugter ≥ 50 % der Oberfläche, noch stärker bevorzugt ≥ 60 % der Oberfläche und am bevorzugtesten ≥ 70 % der Oberfläche des Energiespeichermediums.In a preferred embodiment, the protective structure covers ≥ 20% of the surface of the energy storage medium, more preferably ≥ 40% of the surface, even more preferably ≥ 50% of the surface, even more preferably ≥ 60% of the surface and most preferably ≥ 70% of the surface of the energy storage medium.
In einer bevorzugten Ausführungsform verhüllt der Faser-Matrix-Komposit-Protektor ≥ 10 % der Oberfläche des Energiespeichermediums, bevorzugter ≥ 20 % der Oberfläche, noch bevorzugter ≥ 25 % der Oberfläche, noch stärker bevorzugt ≥ 30 % der Oberfläche und am bevorzugtesten ≥ 40 % der Oberfläche des Energiespeichermediums.In a preferred embodiment, the fiber-matrix composite protector covers ≥ 10% of the surface of the energy storage medium, more preferably ≥ 20% of the surface, even more preferably ≥ 25% of the surface, even more preferably ≥ 30% of the surface and most preferably ≥ 40% of the surface of the energy storage medium.
Wenn die Energiespeichervorrichtung eine Batteriestruktur für ein Verkehrsmittel, wie für ein Batterieelektrofahrzeug, ist, dann ist der Faser-Matrix-Komposit-Protektor vorzugsweise derart zum Energiespeichermedium - z. B. der Batterie - ausgerichtet, dass dieser bei der bestimmungsgemäßen Verwendung im Verkehrsmittel, unterhalb des Energiespeichermediums angeordnet ist. Hierdurch kann ein im Unterboden eines Verkehrsmittels, wie einem KFZ, angeordnetes Energiespeichermedium vor Impactbelastungen wie z. B. Pollern, geschützt werden. Vorzugsweise verhüllt der Faser-Matrix-Komposit-Protektor ≥ 20 % der bei der bestimmungsgemäßen Verwendung nach unten gerichteten Oberfläche des Energiespeichermediums, bevorzugter ≥ 40 % der Oberfläche, noch bevorzugter ≥ 60 % der Oberfläche, noch stärker bevorzugt ≥ 80 % der Oberfläche und am bevorzugtesten ≥ 90 % der Oberfläche des Energiespeichermediums. Bevorzugt ist der Faser-Matrix-Komposit-Protektor sogar über diese Oberfläche hinausgehend ausgebildet, und ermöglicht damit einen noch weitreichenderen Schutz der Batterie und/oder des Batteriegehäuses.If the energy storage device is a battery structure for a means of transport, such as a battery-electric vehicle, then the fiber-matrix composite protector is preferably aligned with the energy storage medium—e.g., the battery—such that, during intended use in the means of transport, it is arranged beneath the energy storage medium. This allows an energy storage medium arranged in the underbody of a means of transport, such as a motor vehicle, to be protected from impact loads such as bollards. The fiber-matrix composite protector preferably covers ≥ 20% of the downward-facing surface of the energy storage medium during intended use, more preferably ≥ 40% of the surface, even more preferably ≥ 60% of the surface, even more preferably ≥ 80% of the surface, and most preferably ≥ 90% of the surface of the energy storage medium. Preferably, the fiber matrix composite protector extends even beyond this surface, thus enabling even more extensive protection of the battery and/or the battery housing.
Die Erfindung umfasst auch ein Verkehrsmittel mit einer derartig angeordneten und ausgebildeten Energiespeichervorrichtung.The invention also includes a means of transport with an energy storage device arranged and designed in this way.
In modernen Batteriestrukturen werden oftmals Batteriemodule eingesetzt. Dies sind Anordnungen mit mehreren Batterien, die in einem in der Regel geschlossenen Rahmen zusammengefasst und durch eine einheitliche Begrenzung nach außen verbunden sind. In der Regel sind mehrere solcher strukturell untergeordneter Batteriemodule in einem Batteriegehäuse angeordnet. Die erfindungsgemäße Schutzstruktur kann ein solches Batteriegehäuse sein und zum Schutz eines einzelnen Moduls eingesetzt werden, z. B. indem diese oder ein Teil von ihr, insbesondere der Faser-Matrix-Komposit-Protektor, zwischen dem Batteriegehäuse und einem darin enthaltenen Batteriemodul angeordnet ist. Die erfindungsgemäße Schutzstruktur kann jedoch auch mehrere Module oder sogar alle Module schützen.Battery modules are often used in modern battery structures. These are arrangements with several batteries that are combined in a generally closed frame and connected to the outside by a uniform boundary. As a rule, several such structurally subordinate battery modules are arranged in a battery housing. The protective structure according to the invention can be such a battery housing and can be used to protect an individual module, e.g., by protecting this or a part of it, in particular the fiber matrix component. posit protector, arranged between the battery housing and a battery module contained therein. However, the protective structure according to the invention can also protect multiple modules or even all modules.
Die erfindungsgemäße Schutzstruktur und/oder Faser-Matrix-Komposit-Protektor kann auch eine sogenannte „Intercell Barrier“ eines Batteriemoduls sein, also eine Schutzplatte, die einzelne Batterien des Batteriemoduls voneinander trennt. Eine solche Platte verhindert im Brandfall das Übergreifen der Flammen einer Batterie auf die benachbarte(n). Besonders bevorzugt ist die erfindungsgemäße Schutzstruktur und/oder Faser-Matrix-Komposit-Protektor eine „Intercell Barrier“ zwischen Pouch-Zellen oder prismatischen Zellen eines Batteriemoduls.The protective structure and/or fiber-matrix composite protector according to the invention can also be a so-called "intercell barrier" of a battery module, i.e., a protective plate that separates individual batteries of the battery module from one another. Such a plate prevents flames from one battery from spreading to the neighboring one(s) in the event of a fire. Particularly preferably, the protective structure and/or fiber-matrix composite protector according to the invention is an "intercell barrier" between pouch cells or prismatic cells of a battery module.
Da der erfindungsgemäße Faser-Matrix-Komposit-Protektor das Energiespeichermedium, insbesondere gegenüber thermischer Belastung, wie Flammbelastung, schützt, verhüllt dieser zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig das Energiespeichermedium.Since the fiber-matrix composite protector according to the invention protects the energy storage medium, in particular against thermal stress, such as flame exposure, it at least partially, preferably completely, covers the energy storage medium.
In einer bevorzugten Ausführungsform verhüllt der Faser-Matrix-Komposit-Protektor ≥ 20 % der Oberfläche des Energiespeichermediums, bevorzugter ≥ 40 % der Oberfläche, noch bevorzugter ≥ 50 % der Oberfläche, noch stärker bevorzugt ≥ 60 % der Oberfläche und am bevorzugtesten ≥ 70 % der Oberfläche des Energiespeichermediums.In a preferred embodiment, the fiber-matrix composite protector covers ≥ 20% of the surface of the energy storage medium, more preferably ≥ 40% of the surface, even more preferably ≥ 50% of the surface, even more preferably ≥ 60% of the surface and most preferably ≥ 70% of the surface of the energy storage medium.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Schutzstruktur ein Batteriegehäuse und einen vorzugsweise separaten Faser-Matrix-Komposit-Protektor, wobei der Faser-Matrix-Komposit-Protektor vorzugsweise an der Innenseite des Batteriegehäuses, vorzugsweise zwischen Batterie und Batteriegehäuse angeordnet ist. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist der erfindungsgemäße Faser-Matrix-Komposit-Protektor an der Außenseite des Batteriegehäuses angeordnet. „Separat“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass der Faser-Matrix-Komposit-Protektor ein zusätzliches Bauteil ist, welches lösbar oder nicht zerstörungsfrei lösbar am Batteriegehäuse direkt oder mittelbar befestigt ist.In a preferred embodiment, the protective structure comprises a battery housing and a preferably separate fiber-matrix composite protector, wherein the fiber-matrix composite protector is preferably arranged on the inside of the battery housing, preferably between the battery and the battery housing. In another embodiment of the invention, the fiber-matrix composite protector according to the invention is arranged on the outside of the battery housing. "Separate" in this context means that the fiber-matrix composite protector is an additional component that is attached directly or indirectly to the battery housing in a detachable or non-destructively detachable manner.
Unter Polymer wird im erfindungsgemäßen Zusammenhang ein chemischer Stoff verstanden, der über 50 Gew.-%, vorzugsweise über 70 Gew.-%, noch bevorzugter über 80 Gew.-%, noch stärker bevorzugt über 90 Gew.-% und am bevorzugtesten über 95 Gew.-% Makromoleküle aufweist.In the context of the invention, polymer is understood to mean a chemical substance which has more than 50 wt.%, preferably more than 70 wt.%, more preferably more than 80 wt.%, even more preferably more than 90 wt.% and most preferably more than 95 wt.% macromolecules.
„Makromoleküle“ sind Moleküle, die aus einer oder mehreren gleichen oder ähnlichen Struktureinheiten, den konstitutionellen Repetiereinheiten, aufgebaut sind (
Polymere werden üblicherweise durch die Reaktion von Monomeren oder Oligomeren, die eine oder mehrere der konstitutionellen Repetiereinheiten aufweisen, in einer Polymerisationsreaktion hergestellt. Als Oligomer wird dabei ein Molekül bezeichnet, das aus mehreren Monomeren gebildet wurde und daher aus einer Vielzahl der strukturell gleichen oder ähnlichen Struktureinheiten aufgebaut ist. Von Oligomeren wird im Rahmen der Erfindung dann gesprochen, wenn das Molekül aus einer Reaktion von 2-10, vorzugsweise 2-8, vorzugsweise 3-7 Monomeren hergestellt wurde.Polymers are typically produced by the reaction of monomers or oligomers containing one or more of the constitutional repeating units in a polymerization reaction. An oligomer is a molecule formed from several monomers and therefore composed of a large number of structurally identical or similar structural units. In the context of the invention, oligomers are referred to when the molecule is produced from a reaction of 2-10, preferably 2-8, preferably 3-7 monomers.
Unter „Harzen“ werden erfindungsgemäß Vorstufen von duromeren Kunststoffen, d. h. Polymeren, verstanden (vgl.
Unter einem „Faserverbundbauteil“ oder „Faser-Matrix-Komposit“ wird ein Werkstoff aus zwei oder mehr verbundenen Materialien verstanden, der andere Werkstoffeigenschaften besitzt als seine einzelnen Komponenten und der als Bestandteil eines technischen Gegenstands dienen kann. Ein solcher Bestandteil kann beispielsweise eine Platte oder ein Gehäuse oder ein Teil eines Gehäuses, wie eine Boden- oder Deckelplatte, sein. Von dem Begriff „Faserverbundbauteil“ sind jedoch sinngemäß auch Faserverbundbauteile umfasst, die einen technischen Gegenstand perse bilden können. Das Faserverbundbauteil umfasst mindestens einen Fasermaterial und ein Matrixmaterial. Bei dem erfindungsgemäßen Faserverbundbauteil handelt es sich vorzugsweise um einen glasfaserverstärkten Kunststoff (GFK) oder einen kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (CFK).A "fiber composite component" or "fiber-matrix composite" is understood to mean a material made of two or more bonded materials that has different material properties than its individual components and can serve as a component of a technical article. Such a component can be, for example, a panel or a housing, or a part of a housing, such as a base or cover plate. However, the term "fiber composite component" also encompasses fiber composite components that can form a technical article per se. The fiber composite component comprises at least one fiber material and a matrix material. The fiber composite component according to the invention is preferably a glass fiber reinforced plastic (GRP) or a carbon fiber reinforced plastic (CFRP).
Die erfindungsgemäße Schutzstruktur samt Faser-Matrix-Kompost-Protektor ist zum Schutz des Energiespeichermediums und/oder zum Schutze vor dem Energiespeichermedium, genauer gesagt zum Schutz vor Gefahren durch das Energiespeichermedium, beispielsweise dem Austritt von Chemikalien im Falle eines Impacts, geeignet. Insbesondere ist die Schutzstruktur zum Schutz des Energiespeichemediums vor mechanischer Belastung und zum Schutz vor thermischer Belastung geeignet, beispielsweise wenn ein Brandfall aufgrund Überhitzung oder einer unkontrollierten chemischen Reaktion der Batteriechemikalien auftritt. D. h. dass die Schutzstruktur das Energiespeichermedium vor in der Regel von außen eingeführten Druck- und/oder Zug- und/oder Schub- und/oder Schlagbelastungen, die das Energiespeichermedium schädigen können, schützt und zum anderen im Falle einer chemischen Reaktion und/oder Brandschlags eine thermische Belastung der die Energiespeichervorrichtung umgebenden Bauteile (wie beispielsweise ein weiteres Gehäusebauteil sofern vorhanden) verhindert oder zumindest verringert oder zeitlich verzögert. Sofern der Faser-Matrix-Kompost-Protektor ein separates Bauteil ist, und nicht alleine die Schutzstruktur bildet, so kann dieser ebenfalls zum Schutze der weiteren Bauteile dienen. So kann der Protektor beispielsweise ein an ein das Energiespeichemedium umgebendes Gehäuse anbringbares Bauteil sein, sodass ein Schutz einmal durch das Gehäuse und den Protektor besteht.The protective structure according to the invention including the fiber matrix compost protector is used to protect the energy storage medium and/or to protect against the energy storage medium, more specifically, for protection against hazards posed by the energy storage medium, such as the release of chemicals in the event of an impact. In particular, the protective structure is suitable for protecting the energy storage medium from mechanical stress and thermal stress, for example, if a fire occurs due to overheating or an uncontrolled chemical reaction of the battery chemicals. This means that the protective structure protects the energy storage medium from compressive and/or tensile and/or shear and/or impact loads, usually introduced from the outside, which could damage the energy storage medium. Furthermore, in the event of a chemical reaction and/or fire, it prevents, or at least reduces, or delays thermal stress on the components surrounding the energy storage device (such as another housing component, if present). If the fiber-matrix compost protector is a separate component and does not form the protective structure alone, it can also serve to protect the other components. For example, the protector can be a component that can be attached to a housing surrounding the energy storage medium, so that protection is provided by both the housing and the protector.
Unter Langfasern werden Fasern mit einer Länge L = 1 bis 50 mm verstanden, unter Endlosfasern (auch Unidirektionalfasern) werden Fasern mit einer Länge L > 50 mm, vorzugsweise L > 110 mm, noch bevorzugter L > 150 mm, besonders bevorzugt L > 200 mm, und am bevorzugtesten L > 500 mm verstanden. Vorzugsweise ist die Länge der Fasern des Fasermateriales > 30 mm, bevorzugter L > 150 mm, besonders bevorzugt L > 250 mm und am bevorzugtesten L > 300 mm, in der Regel jedoch nicht länger als L = 10.000 mm. Bevorzugt ist die Verwendung von Endlosfasern in dem erfindungsgemäßen Faser-Matrix-Komposit-Protektor und/oder dem erfindungsgemäßen Faser-Matrix-Halbzeug, insbesondere Endlosfasern, welche Teil einer vorzugsweise textilen Flächenstruktur, wie einem Gelege, sind. Hierdurch werden Bauteile mit besonders vorteilhaften mechanischen Eigenschaften erhalten.Long fibers are understood to mean fibers with a length L = 1 to 50 mm, continuous fibers (also unidirectional fibers) are understood to mean fibers with a length L > 50 mm, preferably L > 110 mm, more preferably L > 150 mm, particularly preferably L > 200 mm, and most preferably L > 500 mm. The length of the fibers of the fiber material is preferably > 30 mm, more preferably L > 150 mm, particularly preferably L > 250 mm and most preferably L > 300 mm, but generally not longer than L = 10,000 mm. Preference is given to the use of continuous fibers in the fiber-matrix composite protector according to the invention and/or the fiber-matrix semi-finished product according to the invention, in particular continuous fibers which are part of a preferably textile surface structure, such as a scrim. This results in components with particularly advantageous mechanical properties.
Das Matrixmaterial der erfindungsgemäßen Schutzstruktur dient zur zumindest teilweisen, vorzugsweise vollständigen Einbettung des Fasermateriales und optional auch zur zumindest teilweisen, vorzugsweise vollständigen Einbettung eines optionalen Additivs und/oder zum zumindest teilweisen, vorzugsweise vollständigen Lösen eines optionalen Additivs. Es hält die Fasern des Fasermateriales in ihrer Position und überträgt und verteilt Spannungen zwischen ihnen. Es umfasst ein Polymermaterial, das sogenannte Matrixpolymermaterial, welches insbesondere ein duroplastisches Polymermaterial sein kann. Beispiele hierfür sind gehärtete Harze ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Phenol-Formaldehydharze, Allylharzen oder Polyesterharzen. Vorzugsweise handelt es sich dabei um ein aus einem Harz und einem Härter hergestelltes duroplastisches Polymermaterial.The matrix material of the protective structure according to the invention serves to at least partially, preferably completely embed the fiber material and optionally also to at least partially, preferably completely embed an optional additive and/or to at least partially, preferably completely dissolve an optional additive. It holds the fibers of the fiber material in their position and transfers and distributes stresses between them. It comprises a polymer material, the so-called matrix polymer material, which can in particular be a thermosetting polymer material. Examples of this are cured resins selected from the group consisting of phenol-formaldehyde resins, allyl resins, or polyester resins. This is preferably a thermosetting polymer material made from a resin and a hardener.
Bei der Herstellung und/oder Aushärtung eines duroplastischen oder thermoplastischen Matrixpolymermaterials werden vorzugsweise Beschleuniger, Aktivatoren und Trennmittel eingesetzt, die im Matrixmaterial löslich sind und dann im Sinne der vorliegenden Erfindung vorzugsweise Teil des Matrixmaterials sind. Da deren Vorhandensein die vorteilhafte Carbonisierung des Matrixmaterials bei einer thermischen Belastung stören kann, ist der Gesamtanteil dieser zusätzlichen Komponenten am Matrixmaterial jedoch bevorzugt ≤ 10 Gew.-% oder ≤ 5 Gew.-%, bevorzugter ≤ 2 Gew.-%, noch bevorzugter ≤ 1 Gew.-%, und am bevorzugtesten ≤ 0,5 Gew.-% oder gar ≤ 0,1 Gew.-%.During the production and/or curing of a thermosetting or thermoplastic matrix polymer material, accelerators, activators, and release agents are preferably used that are soluble in the matrix material and, in the context of the present invention, are then preferably part of the matrix material. Since their presence can disrupt the advantageous carbonization of the matrix material under thermal stress, the total proportion of these additional components in the matrix material is preferably ≤ 10 wt.% or ≤ 5 wt.%, more preferably ≤ 2 wt.%, even more preferably ≤ 1 wt.%, and most preferably ≤ 0.5 wt.% or even ≤ 0.1 wt.%.
Auch das Vorhandensein von Chlor und/oder Schwermetallen kann aufgrund von Radikalbildung die erfindungsgemäß vorteilhafte Carbonisierung stören. Bevorzugt ist daher der Gewichtsanteil von Chlor und/oder Metallen mit einer Dichte > 5 g/cm3 am Gewicht des Matrixmaterials und/oder des Matrixpolymermaterials ≤ 1 Gew-%, bevorzugt ≤ 0,1 Gew-% und am bevorzugtesten ≤ 0,05 Gew-% oder gar ≤ 0,01 Gew-%. Dies entspricht der Definition eines „Schwermetalls“ gemäß
Auch die Heteroatome Sauerstoff und Schwefel können aufgrund von Radikalbildung die Carbonisierung verlangsamen bzw. stören. Der Gewichtsanteil dieser Elemente am Matrixmaterial und/oder Matrixpolymermaterial liegt vorteilhaft daher ≤ 5 Gew.-%, bevorzugter ≤ 2 Gew.-%, noch bevorzugter ≤ 1 Gew.-%, und am bevorzugtesten ≤ 0,5 Gew.-% oder gar ≤ 0,1 Gew.-%. Der Gewichtsanteil der Summe dieser Elemente am Matrixmaterial liegt vorteilhaft ≤ 10 Gew.- %, bevorzugter ≤ 7 Gew.-%, noch bevorzugter ≤ 5 Gew.-%, und am bevorzugtesten ≤ 3 Gew.- % oder gar ≤ 1 Gew.-%.The heteroatoms oxygen and sulfur can also slow down or disrupt carbonization due to radical formation. The weight fraction of these elements in the matrix material and/or matrix polymer material is therefore advantageously ≤ 5 wt.%, more preferably ≤ 2 wt.%, even more preferably ≤ 1 wt.%, and most preferably ≤ 0.5 wt.% or even ≤ 0.1 wt.%. The weight fraction of the sum of these elements in the matrix material is advantageously ≤ 10 wt.%, more preferably ≤ 7 wt.%, even more preferably ≤ 5 wt.%, and most preferably ≤ 3 wt.% or even ≤ 1 wt.%.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Matrixmaterial einen Thermoplast als Matrixpolymermaterial, wobei der Thermoplast vorzugsweise ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polyolefinen, Polyamiden, Polyetherketonen und Polyterephtalate. Diese weisen üblicherweise einen hohen Kohlenstoffgehalt im Polymerbackbone auf, wodurch ein entsprechend hoher Anteil von Kohlenstoff im Matrixpolymaterial durch Wahl des geeigneten Polymers erreicht werden kann. Durch entsprechende Wahl der weiteren Bestandteile des Matrixmaterials kann auf einfache Weise in Kombination mit dieser Auswahl ein hoher Kohlenstoffanteil im Matrixmaterial erreicht.In a preferred embodiment of the invention, the matrix material comprises a thermoplastic as the matrix polymer material, wherein the thermoplastic is preferably selected from the group consisting of polyolefins, polyamides, polyether ketones, and polyterephthalates. These typically have a high carbon content in the polymer backbone, whereby a correspondingly high proportion of carbon in the matrix polymer material can be achieved by selecting the appropriate polymer. By appropriate selection of the further Components of the matrix material can be easily combined with this selection to achieve a high carbon content in the matrix material.
Der Gewichtsanteil von Matrixpolymermaterial am Matrixmaterial beträgt vorzugsweise ≥ 50 Gew.-%, bevorzugter ≥ 60 Gew.-%, stärker bevorzugt ≥ 70 Gew.-%, noch stärker bevorzugt ≥ 80 Gew.-% und am bevorzugtesten ≥ 90 Gew.-% oder gar ≥ 95 Gew.-%. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht das Matrixmaterial aus dem Matrixpolymermaterial.The weight fraction of matrix polymer material in the matrix material is preferably ≥ 50 wt.%, more preferably ≥ 60 wt.%, more preferably ≥ 70 wt.%, even more preferably ≥ 80 wt.%, and most preferably ≥ 90 wt.% or even ≥ 95 wt.%. In a preferred embodiment, the matrix material consists of the matrix polymer material.
Vorzugsweise weist das Matrixmaterial mit Ausnahme optional heterogen, d.h. dispers, eingebundener Additive und des eingebundenen Fasermaterials eine im Wesentlichen homogene chemische Zusammensetzung auf, d. h. dass Stoffgrenzen, mit Ausnahme des optional eingebundenen Additivs und des eingebundenen Fasermateriales, gar nicht oder nur zu benachbarten Bereichen der Schutzvorrichtung vorliegen.Preferably, the matrix material has a substantially homogeneous chemical composition with the exception of optionally heterogeneous, i.e. dispersed, incorporated additives and the incorporated fiber material, i.e. that substance boundaries, with the exception of the optionally incorporated additive and the incorporated fiber material, are not present at all or only to adjacent areas of the protective device.
Die räumlichen Dimensionen der Schutzstruktur selbst sind ebenso wie die des Faser-Matrix-Komposit-Protektor im Rahmen der Erfindung nicht eingeschränkt. Die Schutzstruktur und/oder der Faser-Matrix-Komposit-Protektor können vorzugsweise eine Platte, wie z. B. eine Brandschutzplatte, sein. Vorzugsweise ist die Schutzstruktur und/oder der Faser-Matrix-Komposit-Protektor monolithisch ausgestaltet oder eine Faserverbundsandwichplatte, d. h. ein plattenförmiges Bauteil in Sandwichbauweise. Bei einer Sandwichbauweise werden Werkstoffe mit verschiedenen Eigenschaften in Schichten zu einem Bauteil oder Halbzeug zusammengesetzt. In der Regel umfasst eine Sandwichplatte kraftaufnehmende feste, äußere Deckschichten, die durch einen relativ weichen, leichten, Kernwerkstoff auf Abstand gehalten werden. Der Kern besteht vorzugsweise aus Vollmaterial (z. B. Polyethylen, Balsaholz), Schaumstoff (z. B. Hartschaum, Metallschaum), Dämmmaterial (z. B. Hartschaum, Mineralwolle) oder Wabengitter (z. B. Papier, Pappe, Metall, Kunststoff). Vorteilhaft werden recycelte Materialien wie recyceltes Polyurethan, eingesetzt, um die Nachhaltigkeit des Produktes zu erhöhen. Der Kern überträgt auftretende Schubkräfte und stützt die äußeren Deckschichten. Bei einer Faserverbundsandwichplatte wird zumindest eine der Schichten, in der Regel eine der Deckschichten, aus einem Faserverbund gebildet. Vorzugsweise sind alle äußeren Deckschichten aus einem Faserverbund. Bevorzugt weist zumindest eine, vorzugsweise alle Deckschichten eine wellenförmige Struktur auf. Bevorzugt umfasst die Schutzstruktur Oberflächen-, Handlings-, Schutz-, insbesondere UV-Schutz-, Mark-, und Farbfolien, sowie vorzugsweise metallische Folie zur Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV). Besonders bevorzugt sind auch Deckfunktionsschichten wie Schutzfolien für den Transport sowie In-Mold-Coatings, beispielsweise für eine bessere Lackierbarkeit.The spatial dimensions of the protective structure itself, as well as those of the fiber-matrix composite protector, are not restricted within the scope of the invention. The protective structure and/or the fiber-matrix composite protector can preferably be a plate, such as a fire protection plate. Preferably, the protective structure and/or the fiber-matrix composite protector is monolithic or a fiber composite sandwich plate, i.e., a plate-shaped component in a sandwich construction. In a sandwich construction, materials with different properties are combined in layers to form a component or semi-finished product. Typically, a sandwich plate comprises force-absorbing, solid, outer cover layers that are held at a distance by a relatively soft, lightweight core material. The core preferably consists of solid material (e.g., polyethylene, balsa wood), foam (e.g., rigid foam, metal foam), insulating material (e.g., rigid foam, mineral wool), or honeycomb lattice (e.g., paper, cardboard, metal, plastic). Recycled materials such as recycled polyurethane are advantageously used to increase the sustainability of the product. The core transfers any shear forces that occur and supports the outer cover layers. In a fiber composite sandwich panel, at least one of the layers, usually one of the cover layers, is formed from a fiber composite. Preferably, all outer cover layers are made of a fiber composite. Preferably, at least one, and preferably all, cover layers have a corrugated structure. The protective structure preferably comprises surface, handling, protective (in particular UV-protective), marking, and color films, as well as preferably metallic film to improve electromagnetic compatibility (EMC). Particularly preferred are also cover functional layers such as protective films for transport and in-mold coatings, for example for improved paintability.
Die Schutzstruktur und/oder der Faser-Matrix-Komposit-Protektor können auch Poren umfassen, d.h. Luft- und/oder Gaseinschlüsse, die jedoch vorzugsweise nicht mehr als 5 Vol.-% des Gesamtvolumens der Schutzstruktur ausmachen.The protective structure and/or the fiber-matrix composite protector may also comprise pores, i.e. air and/or gas inclusions, which, however, preferably do not constitute more than 5 vol.% of the total volume of the protective structure.
Die Schutzstruktur und/oder der Faser-Matrix-Komposit-Protektor sind in ihrer bestimmungsgemäßen Verwendung oftmals hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt und weist daher vorzugsweise eine besonders ausgeprägte mechanische Beständigkeit und/oder Festigkeit auf.The protective structure and/or the fiber-matrix composite protector are often exposed to high mechanical loads in their intended use and therefore preferably have a particularly pronounced mechanical resistance and/or strength.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Faser-Matrix-Komposit-Protektor und/oder die Schutzstruktur, daher eine nach
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Faser-Matrix-Komposit-Protektor und/oder die Schutzstruktur ein nach
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Faser-Matrix-Komposit-Protektor und/oder die Schutzstruktur eine nach
Bei der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung kann es sich bevorzugt um eine stationäre Energiespeichervorrichtung, in einer anderen Ausführung aber auch um eine Batteriestruktur für ein Verkehrsmittel, beispielsweise ein Kraftfahrzeug oder ein Luftfahrzeug, handeln. Eine bevorzugte Ausführung ist dabei eine Batteriestruktur einschließlich Batterie (=Energiespeichermedium). Der Begriff Batterie ist im Sinne der Erfindung nicht auf Primärbatterien, d. h. nicht mehr aufladbare Batterien, beschränkt, sondern umfasst - sogar besonders bevorzugt - ebenfalls Akkumulatoren, auch Sekundärbatterien genannt, also wieder aufladbare Batterien. Besonders bevorzugt handelt es sich bei der Batterie dabei um einen Lithium-Ionen-Akkumulator, insbesondere um einen für ein Batterieelektrofahrzeug eingesetzten Lithium-Ionen-Akkumulator. Eine andere bevorzugte Ausführung ist eine Energiespeichervorrichtung, bei welcher das Energiespeichermedium ein Brennstoffspeicher, wie beispielsweise ein Brennstoffspeicher zur Versorgung einer Brennstoffzelle mit Brennstoff.The energy storage device according to the invention can preferably be a stationary energy storage device, but in another embodiment it can also be a battery structure for a means of transport, for example a motor vehicle or an aircraft. A preferred embodiment is a battery structure including a battery (= energy storage medium). The term battery, in the sense of the invention, is not limited to primary batteries, i.e., non-rechargeable batteries, but also includes—even more preferably—accumulators, also called secondary batteries, i.e., rechargeable batteries. rien. The battery is particularly preferably a lithium-ion accumulator, in particular a lithium-ion accumulator used for a battery-powered electric vehicle. Another preferred embodiment is an energy storage device in which the energy storage medium is a fuel storage device, such as a fuel storage device for supplying a fuel cell with fuel.
Bei einer Energiespeichervorrichtung ist die Kriechstromfestigkeit der Komponenten von besonderer Bedeutung. Durch Oberflächenbelag von Staub und Feuchtigkeit können sich nämlich auf den Oberflächen Kriechwege ausbilden und Kriechströme fließen, die schließlich bei nicht kriechstromfesten Materialien zum Durchschlag und u.U. zum Entstehen eines Brandes führen. Insbesondere bei Brennstoffspeichern oder Batteriesystemen auf Lithium-Ionen-Basis führt dies zu sicherheitstechnisch problematischen Ausführungen. Erfindungsgemäß ist es daher vorteilhaft, wenn der Faser-Matrix-Komposit-Protektor und/oder die Schutzstruktur, eine hohe Kriechstromfestigkeit aufweisen. Bevorzugt weist der Faser-Matrix-Komposit-Protektor und/oder die Schutzstruktur einen nach IEC Standard 60112 bestimmten „comparative tracking index (CTI)“ von ≥ 50, bevorzugter ≥ 10, stärker bevorzugt ≥ 175, noch stärker bevorzugt ≥ 250 und am bevorzugtesten ≥ 400 auf.In an energy storage device, the tracking resistance of the components is of particular importance. Surface coatings of dust and moisture can cause tracking paths to form on the surfaces, allowing tracking currents to flow. This can ultimately lead to breakdown and, under certain circumstances, fire in materials that are not tracking-resistant. Particularly in fuel storage systems or lithium-ion-based battery systems, this results in designs that pose safety problems. According to the invention, it is therefore advantageous if the fiber-matrix composite protector and/or the protective structure have a high tracking resistance. Preferably, the fiber-matrix composite protector and/or the protective structure has a comparative tracking index (CTI) determined according to IEC Standard 60112 of ≥ 50, more preferably ≥ 10, more preferably ≥ 175, even more preferably ≥ 250, and most preferably ≥ 400.
Herkömmliche Schutzstrukturen mit geringem Kohlenstoffanteil im Matrixpolymermaterial werden während eines Flammschlags, z. B. wenn ein Energiespeichermedium wegen Überhitzung oder Funkenschlag explodiert, im Wesentlichen vollständig zu gasförmigen Produkten wie CO2 oxidiert und damit zersetzt, insbesondere, wenn es sich bei den Matrixpolymermaterialien um gesättigte Materialien oder Materialien mit hohem Heteroatomanteil handelt. Ein Beispiel hierfür sind gefüllte Epoxycomposite mit hohem Sauerstoffanteil. Ein solcher führt im Wesentlichen zu einer radikalischen Zersetzung mit CO/CO2 als Endprodukt. Andere nicht-Kohlenstoff basierte Matrixpolymermaterialien wie Silicone dienen hingegen als Isolatoren, die jedoch mit nicht temperaturstabilen Bindern ausgestattet sind, welche früh bei thermischer und mechanischer Last versagen.Conventional protective structures with a low carbon content in the matrix polymer material are essentially completely oxidized to gaseous products such as CO2 and thus decompose during a flame strike, e.g., when an energy storage medium explodes due to overheating or sparking, especially if the matrix polymer materials are saturated materials or materials with a high heteroatom content. One example of this is filled epoxy composites with a high oxygen content. This essentially leads to radical decomposition with CO/ CO2 as the end product. Other non-carbon-based matrix polymer materials, such as silicones, serve as insulators, but they are equipped with non-temperature-stable binders that fail early under thermal and mechanical loads.
Die Erfinder konnten herausfinden, dass durch die Verwendung eines Matrixpolymermaterials mit einem Mindestgehalt von Kohlenstoff insbesondere die Flammschutzwirkung erheblich verbessert werden kann. Ohne an diese Theorie gebunden zu sein, gehen die Erfinder davon aus, dass die Cyclisierungs-, Dehydrierungs- und Aromatisierungsprozesse, welche zu einer (teil)aromatischen, carbonartigen Struktur bei thermischer Belastung (beispielsweise Flammschlag) führen, bei einem entsprechend hohen Gehalt von Kohlenstoff besonders effizient ablaufen. Die durch einen entsprechend hohen Anteil erzielte Dichte von „aktiven“ Umsetzungszentren während des Carbonisierungsprozesses verhindert den Abbruch von Cyclisierungs-, Dehydrierungs- und Aromatisierungsprozessen, beispielsweise durch radikalische Nebenreaktionen, was sich positiv auf die Carbonisierung auswirkt.The inventors discovered that the use of a matrix polymer material with a minimum carbon content can significantly improve the flame retardancy. Without being bound by this theory, the inventors assume that the cyclization, dehydrogenation, and aromatization processes, which lead to a (partially) aromatic, carbonaceous structure under thermal stress (e.g., flame exposure), proceed particularly efficiently with a correspondingly high carbon content. The density of "active" conversion centers achieved by a correspondingly high carbon content during the carbonization process prevents the termination of cyclization, dehydrogenation, and aromatization processes, for example, through radical side reactions, which has a positive effect on the carbonization.
Der stark endotherme Carbonisierungsprozess führt zu einer Aufnahme und Abfuhr der durch den Flammschlag auf den Protektor eintreffenden Energie. Die carbonisierte Schicht, als Isolator wirkend, schirmt zudem die Wärme von dem jenseits der carbonisierten Schicht liegenden Matrixmaterial ab. Eine elektrische Isolation kann weiterhin durch die nicht carbonisierten Bereiche des Matrixmaterials erzielt werden. Die Langfaser- bzw. Endlosfaserstruktur stabilisiert die sich beim Flammschlag bildende Carbonstruktur und ermöglicht die Absorption der mechanischen Lasten, welche bei der thermischen Belastung, beispielsweise in Form einer Batterieexplosion, auftreten und lässt nur geringe Verformungen des Protektors zu. In anderen Worten ermöglicht also das synergistische Zusammenwirken von Fasermaterial und Matrixmaterial eine Carbonisierung, ohne dass die sich bildende leicht spröde Struktur durch Risse o.ä. geschädigt wird. In den meisten Fällen kann hierdurch ein Durchbrand durch die Compositestruktur verhindert werden. Zudem ermöglichen die Lang- und/oder Endlosfasern verbesserte Eigenschaften des Protektors in Bezug auf mechanisch übertragbare Lasten (Zug, Druck, Schub) und verbessern die Flammschutzwirkung. Im Gegensatz zu Kurzfasern treten nur in untergeordnetem Maße Inhomogenitäten (z. B. lokale Faservolumengehaltsschwankungen) im Bauteil auf und zudem können beim Abbrand instabile Strukturen, wie freigelegte Kurzfasern, vermieden werden. Wenn nötig, kann ein entsprechendes Matrixpolymermaterial auch nur in Teilabschnitten des Faser-Matrix-Komposit-Protektors eingesetzt werden, um den entsprechenden Effekt lokal begrenzt zu erzielen, insbesondere wenn nur bestimmte Bereiche des Faser-Matrix-Komposit-Protektors in unmittelbarer Nähe zu der Energiespeichervorrichtung angeordnet sind.The highly endothermic carbonization process absorbs and dissipates the energy impinging on the protector during the flame impact. The carbonized layer, acting as an insulator, also shields the heat from the matrix material beyond the carbonized layer. Electrical insulation can also be achieved through the non-carbonized areas of the matrix material. The long-fiber or continuous-fiber structure stabilizes the carbon structure formed during the flame impact and enables the absorption of mechanical loads that occur during thermal stress, for example, in the form of a battery explosion, while allowing only minimal deformation of the protector. In other words, the synergistic interaction of fiber material and matrix material enables carbonization without the resulting slightly brittle structure being damaged by cracks or similar damage. In most cases, this can prevent burn-through through the composite structure. In addition, the long and/or continuous fibers enable improved properties of the protector with respect to mechanically transferable loads (tensile, compressive, shear) and improve the flame retardant effect. In contrast to short fibers, inhomogeneities (e.g., local fluctuations in fiber volume content) occur only to a minor extent in the component, and unstable structures, such as exposed short fibers, can be avoided during combustion. If necessary, a corresponding matrix polymer material can also be used only in partial sections of the fiber-matrix composite protector to achieve the desired effect in a localized manner, especially if only certain areas of the fiber-matrix composite protector are located in the immediate vicinity of the energy storage device.
Die Erfinder gehen zudem davon aus, dass der mit einem hohen Kohlenstoffanteil einhergehende sprödere Charakter für eine bessere Impactperformance sorgt.The inventors also assume that the more brittle nature associated with a high carbon content ensures better impact performance.
Diese oben beschriebenen Funktionen können durch eine Verwendung eines ungesättigten Polymermaterials als Polymermatrixmaterial verstärkt werden.These functions described above can be enhanced by using an unsaturated polymer material as the polymer matrix material.
Das erfindungsgemäße Matrixmaterial kann auch ein mehrkomponentiges Matrixmaterial sein, insbesondere eines, das durch eine Mischung unterschiedlicher Polymermaterialien gebildet wird, wobei mindestens eines dieser Polymermaterialien einen Kohlenstoffanteil ≥ 50 Gew.-% aufweist und vorzugsweise ein ungesättigtes Polymermaterial ist. Das Polymermaterial ist dann vorzugsweise in Bereichen in unmittelbarer Nähe der Energiespeichervorrichtung oder potentiell weiteren Elementen der Schutzstruktur angeordnet. Bei einem solchen Multimaterialmatrixansatz kann beispielsweise in der Herstellung zuerst ein Phenolharz, wie ein Novolak mit einem hohen Kohlenstoffanteil, an lokal kritischen Stellen, die z. B. in der späteren Verwendung in direktem Kontakt mit der Energiespeichervorrichtung stehen, in eine Form aufgebracht und konsolidiert werden. Im anschließenden Schritt wird ein zweites gesättigtes Harzsystem (z. B. ein Epoxyharz) auf die konsolidierte Struktur aufgetragen und das Bauteil final ausgehärtet.The matrix material according to the invention can also be a multi-component matrix material, in particular one formed from a mixture of different polymer materials, wherein at least one of these polymer materials has a carbon content ≥ 50 wt.% and is preferably an unsaturated polymer material. The polymer material is then preferably arranged in regions in the immediate vicinity of the energy storage device or potentially other elements of the protective structure. With such a multi-material matrix approach, for example, a phenolic resin, such as a novolak with a high carbon content, can first be applied to a mold and consolidated at locally critical points that, for example, are in direct contact with the energy storage device during later use. In the subsequent step, a second saturated resin system (e.g., an epoxy resin) is applied to the consolidated structure, and the component is finally cured.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem Matrixpolymermaterial um ein durch Zugabe eines Härters ausgehärtetes Matrixpolymermaterial.In a preferred embodiment of the invention, the matrix polymer material is a matrix polymer material cured by adding a hardener.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Matrixmaterial eine ungesättigte Verbindung, wobei der Gewichtsanteil der ungesättigten, vorzugsweise polymeren, besonders bevorzugt duroplastischen, Verbindung am Matrixmaterial ≥ 10 Gew.-%, bevorzugt ≥ 20 Gew.-%, stärker bevorzugt ≥ 40 Gew.-%, noch stärker bevorzugt ≥ 60 Gew.-%, noch erheblich stärker bevorzugt ≥ 80 Gew.-% und am bevorzugtesten ≥ 90 Gew.-%. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform besteht das Matrixmaterial aus der ungesättigten Verbindung, die vorzugsweise in Form eines duroplastischen Polymermaterials vorliegt. Bevorzugt ist der Kohlenstoffanteil dieser ungesättigten Verbindung ≥ 30 Gew.-%, vorzugsweise ≥ 40 Gew.-%, bevorzugter ≥ 50 Gew.-%, noch stärker bevorzugt ≥ 60 Gew.-%, noch erheblich stärker bevorzugt ≥ 60 Gew.-%, noch wesentlich erheblich stärker bevorzugt ≥ 65 Gew.-% oder ≥ 70 Gew.-%, und am bevorzugsten ≥ 75 Gew.-% oder sogar ≥ 80 Gew.-%, ist.In a preferred embodiment of the invention, the matrix material comprises an unsaturated compound, wherein the weight fraction of the unsaturated, preferably polymeric, particularly preferably thermosetting, compound in the matrix material is ≥ 10 wt.%, preferably ≥ 20 wt.%, more preferably ≥ 40 wt.%, even more preferably ≥ 60 wt.%, even more preferably ≥ 80 wt.%, and most preferably ≥ 90 wt.%. In a particularly preferred embodiment, the matrix material consists of the unsaturated compound, which is preferably present in the form of a thermosetting polymer material. Preferably, the carbon content of this unsaturated compound is ≥ 30 wt.%, preferably ≥ 40 wt.%, more preferably ≥ 50 wt.%, even more preferably ≥ 60 wt.%, even considerably more preferably ≥ 60 wt.%, even considerably more preferably ≥ 65 wt.% or ≥ 70 wt.%, and most preferably ≥ 75 wt.% or even ≥ 80 wt.%.
In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt das Volumenverhältnis von Matrixpolymermaterial zu Fasermaterial in dem Faser-Matrix-Komposit-Protektor, d.h. dem Faserverbundbauteil, 8:1 bis 1:10, vorzugsweise 5:1 bis 1:8 und besonders bevorzugt 2:1 bis 1:5.In a preferred embodiment, the volume ratio of matrix polymer material to fiber material in the fiber-matrix composite protector, i.e. the fiber composite component, is 8:1 to 1:10, preferably 5:1 to 1:8 and particularly preferably 2:1 to 1:5.
In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt das Gewichtsverhältnis von Matrixpolymermaterial zu Fasermaterial in dem Faser-Matrix-Komposit-Protektor 5:1 bis 1:20, vorzugsweise 3:1 bis 1:10 und besonders bevorzugt 1:1 bis 1:8.In a preferred embodiment, the weight ratio of matrix polymer material to fiber material in the fiber-matrix composite protector is 5:1 to 1:20, preferably 3:1 to 1:10 and particularly preferably 1:1 to 1:8.
In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt das Volumenverhältnis von Matrixpolymermaterial optionalem Additiv in dem Faser-Matrix-Komposit-Protektor 100:1 bis 1:5, vorzugsweise 50:1 bis 1:3 und besonders bevorzugt 2:1 bis 1:2.In a preferred embodiment, the volume ratio of matrix polymer material to optional additive in the fiber-matrix composite protector is 100:1 to 1:5, preferably 50:1 to 1:3 and particularly preferably 2:1 to 1:2.
In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt das Gewichtsverhältnis von Matrixpolymermaterial zu optionalem Additiv in dem Faser-Matrix-Komposit-Protektor 100:1 bis 1:10, vorzugsweise 50:1 bis 1:6 und besonders bevorzugt 4:1 bis 1:4.In a preferred embodiment, the weight ratio of matrix polymer material to optional additive in the fiber-matrix composite protector is 100:1 to 1:10, preferably 50:1 to 1:6 and particularly preferably 4:1 to 1:4.
In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt das Volumenverhältnis von Matrixmaterial zu Fasermaterial in dem Faser-Matrix-Komposit-Protektor, d.h. dem Faserverbundbauteil, 8:1 bis 1:10, vorzugsweise 5:1 bis 1:8 und besonders bevorzugt 2:1 bis 1:5.In a preferred embodiment, the volume ratio of matrix material to fiber material in the fiber-matrix composite protector, i.e. the fiber composite component, is 8:1 to 1:10, preferably 5:1 to 1:8 and particularly preferably 2:1 to 1:5.
In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt das Gewichtsverhältnis von Matrixmaterial zu Fasermaterial in dem Faser-Matrix-Komposit-Protektor 5:1 bis 1:20, vorzugsweise 3:1 bis 1:10 und besonders bevorzugt 1:1 bis 1:8.In a preferred embodiment, the weight ratio of matrix material to fiber material in the fiber-matrix composite protector is 5:1 to 1:20, preferably 3:1 to 1:10 and particularly preferably 1:1 to 1:8.
In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt das Volumenverhältnis von Matrixmaterial optionalem Additiv in dem Faser-Matrix-Komposit-Protektor 100:1 bis 1:5, vorzugsweise 50:1 bis 1:3 und besonders bevorzugt 2:1 bis 1:2.In a preferred embodiment, the volume ratio of matrix material to optional additive in the fiber-matrix composite protector is 100:1 to 1:5, preferably 50:1 to 1:3 and particularly preferably 2:1 to 1:2.
In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt das Gewichtsverhältnis von Matrixmaterial zu optionalem Additiv in dem Faser-Matrix-Komposit-Protektor 100:1 bis 1:10, vorzugsweise 50:1 bis 1:6 und besonders bevorzugt 4:1 bis 1:4.In a preferred embodiment, the weight ratio of matrix material to optional additive in the fiber-matrix composite protector is 100:1 to 1:10, preferably 50:1 to 1:6 and particularly preferably 4:1 to 1:4.
In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der Gewichtsanteil von Fasermaterial an der Gesamtmasse des Faser-Matrix-Komposit-Protektors 10 bis 95 Gew.-%, vorzugsweise 20 bis 90 Gew.-%, bevorzugter 30 bis 85 Gew.-%, noch stärker bevorzugt 40 bis 80 Gew.-% und am bevorzugtesten 50 bis 75 Gew.-%.In a preferred embodiment, the weight fraction of fiber material in the total mass of the fiber-matrix composite protector is 10 to 95 wt.%, preferably 20 to 90 wt.%, more preferably 30 to 85 wt.%, even more preferably 40 to 80 wt.% and most preferably 50 to 75 wt.%.
In dem Faser-Matrix-Komposit-Protektor ist der Faservolumengehalt vorzugsweise in einem Bereich von 30-70 Vol.-%, vorzugsweise 35-65 Vol.-%, noch stärker bevorzugt 40-60 Vol.-% und am bevorzugtesten 45-55 Vol.-%. Hierdurch werden für den Schutz geeignete mechanische Eigenschaften, insbesondere eine geeignete Duktilität, erzielt.In the fiber-matrix composite protector, the fiber volume content is preferably in a range of 30-70 vol%, preferably 35-65 vol%, even more preferably 40-60 vol%, and most preferably 45-55 vol%. This achieves suitable mechanical properties for the protection, in particular suitable ductility.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Fasermaterial zumindest abschnittsweise, bevorzugt vollständig, eine Flächenstruktur auf, vorzugsweise eine textile Flächenstruktur, die teilweise, im Wesentlichen (d. h. zu über 90 Vol.-%), oder sogar vollständig in das Matrixmaterial eingebettet ist.In a preferred embodiment of the invention, the fiber material has at least in sections, preferably completely, a surface structure, preferably a textile surface structure, which is partially, substantially (i.e., to more than 90 vol%), or even completely embedded in the matrix material.
Besonders bevorzugt ist die Flächenstruktur ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Gelege, Maschenwaren, Gewebe, Geflechte, Vlies oder Mischungen davon.Particularly preferably, the surface structure is selected from the group consisting of scrims, knitwear, woven fabrics, braids, nonwovens or mixtures thereof.
Erfindungsgemäß wird unter Vlies ein Gebilde aus Fasern begrenzter Länge, Endlosfasern (Filamenten) oder geschnittenen Garnen jeglicher Art und jeglichen Ursprungs verstanden, die auf irgendeine Weise zu einer Faserschicht zusammengefügt und auf irgendeine Weise miteinander verbunden worden sind. Hiervon ausgeschlossen ist das Verkreuzen bzw. Verschlingen von Garnen, wie es beim Weben, Wirken, Stricken, der Spitzenherstellung, dem Flechten und der Herstellung von getufteten Erzeugnissen geschieht. Diese Definition entspricht der Norm DIN EN ISO 9092. Unter den Begriff Vliesstoff fallen erfindungsgemäß auch die Filzstoffe. Nicht zu den Vliesstoffen gehören hingegen Folien und Papiere.According to the invention, a nonwoven is understood to be a structure made of fibers of limited length, continuous fibers (filaments), or cut yarns of any type and origin, which have been joined together in any way to form a fiber layer and bonded together in any way. This excludes the crossing or entangling of yarns, as occurs in weaving, knitting, lacemaking, braiding, and the production of tufted products. This definition corresponds to the DIN EN ISO 9092 standard. According to the invention, the term "nonwoven" also includes felt materials. Films and papers, however, are not considered nonwovens.
Unter Flechten wird im Sinne der Erfindung das regelmäßige Ineinanderschlingen mehrerer Stränge aus biegsamem Material verstanden. Der Unterschied zum Weben liegt darin, dass beim Flechten die Fäden nicht rechtwinklig zu der Produkthauptrichtung zugeführt werden.For the purposes of the invention, braiding refers to the regular interlacing of several strands of flexible material. The difference from weaving is that in braiding, the threads are not fed at right angles to the main product direction.
Besonders bevorzugt ist im Rahmen der Erfindung die Verwendung eines Fasermateriales in Form eines Gewebes. Erfindungsgemäß wird unter Gewebe ein textiles Flächengebilde verstanden, das aus zwei Fadensystemen, Kette (Kettfäden) und Schuss (Schussfäden), besteht, die sich in der Sicht auf die Gewebefläche unter einem Winkel von genau oder annähernd 90° mustermäßig kreuzen. Jedes der beiden Systeme kann aus mehreren Kett- bzw. Schussarten aufgebaut sein (z. B. Grund-, Pol- und Füllkette; Grund-, Binde- und Füllschuss). Die Kettfäden verlaufen in Längsrichtung des Gewebes, parallel zur Gewebekante, und die Schussfäden in Querrichtung, parallel zum Geweberand. Die Verbindung der Fäden zum Gewebe erfolgt vorwiegend durch Reibschluss. Damit ein Gewebe ausreichend schiebefest ist, müssen die Kett- und Schussfäden meistens relativ dicht gewebt werden. Deshalb weisen die Gewebe bis auf wenige Ausnahmen auch ein geschlossenes Warenbild auf. Diese Definition entspricht der Norm DIN 61100, Teil 1.Particularly preferred within the scope of the invention is the use of a fiber material in the form of a woven fabric. According to the invention, a woven fabric is understood to be a textile fabric consisting of two thread systems, warp (warp threads) and weft (weft threads), which, viewed on the fabric surface, intersect in a pattern at an angle of exactly or approximately 90°. Each of the two systems can be composed of several warp or weft types (e.g., ground, pile, and filling warp; ground, binding, and filling weft). The warp threads run in the longitudinal direction of the fabric, parallel to the fabric edge, and the weft threads run in the transverse direction, parallel to the fabric edge. The threads are connected to the fabric primarily by friction. In order for a fabric to be sufficiently slip-resistant, the warp and weft threads must usually be woven relatively tightly. Therefore, with few exceptions, the fabrics also have a closed appearance. This definition corresponds to the DIN 61100, Part 1 standard.
Erfindungsgemäß fallen unter die Begriffe Gewebe und Vlies auch solche textilen Materialien, die getuftet wurden. Das Tuften ist ein Verfahren, bei dem Garne mit einer durch Druckluft und/oder Strom betriebenen Maschine in ein Gewebe oder ein Vlies verankert werden.According to the invention, the terms woven and nonwoven also include tufted textile materials. Tufting is a process in which yarns are anchored into a woven or nonwoven fabric using a machine powered by compressed air and/or electricity.
Erfindungsgemäß werden unter Maschenware textile Stoffe verstanden, die aus Fadensystemen durch Maschenbildung hergestellt werden. Hierunter fallen sowohl gehäkelte als auch gestrickte Stoffe.According to the invention, knitwear refers to textile fabrics made from thread systems by stitch formation. This includes both crocheted and knitted fabrics.
Unter Gelege wird erfindungsgemäß ein Flächengebilde, das aus einer oder mehreren Lagen von parallel verlaufenden, gestreckten Fäden besteht, verstanden. An den Kreuzungspunkten werden die Fäden üblicherweise fixiert. Die Fixierung erfolgt entweder durch Stoffschluss oder mechanisch durch Reibung und/oder Formschluss. Bevorzugt ist das Gelege ausgewählt aus einem monoaxialen oder unidirektionalen, einem biaxialen oder multiaxialen Gelege. According to the invention, a scrim is understood to be a fabric consisting of one or more layers of parallel, stretched threads. The threads are typically fixed at the intersection points. Fixation occurs either by a bonded connection or mechanically through friction and/or form fit. The scrim is preferably selected from a monoaxial or unidirectional, a biaxial, or a multiaxial scrim.
Vorzugsweise umfasst das Fasermaterial mehrere Lagen, wobei jede Lage eine anisotrope Struktur aufweist, d.h. innerhalb der Lage weisen die Fasern eine bestimmte Faserorientierung auf. Hierdurch kann ein anisotropes mechanisches Verhalten des Schichtverbunds erzeugt werden. Besonders bevorzugt werden die Lagen durch Gelege gebildet und dadurch ein Gelegestapel erzeugt, wobei die Gelege vorzugsweise unterschiedliche Faserverlaufsrichtungen aufweisen (wie z. B. 0°, + und - 45° sowie 90° in Bezug auf die Längsachse, wenn der Faser-Matrix-Komposit-Protektor eine rechteckige Platte ist), um hierdurch eine „quasiisotrope Anordnung“ zu erhalten.The fiber material preferably comprises multiple layers, each layer having an anisotropic structure, i.e., the fibers within the layer exhibit a specific fiber orientation. This can produce an anisotropic mechanical behavior of the layered composite. Particularly preferably, the layers are formed by non-crimp fabrics, thereby creating a non-crimp stack, with the non-crimp fabrics preferably having different fiber orientations (such as 0°, + and - 45°, and 90° relative to the longitudinal axis if the fiber-matrix composite protector is a rectangular plate) to thereby achieve a "quasi-isotropic arrangement."
Bevorzugt sind die Fasern des Fasermaterials ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Glasfasern, Carbonfasern, Keramikfasern, Basaltfasern, Borfasern, Stahlfasern, Polymerfasern wie Synthesefasern, insbesondere Aramid- und Nylonfasern, oder Mischungen der vorgenannten. Besonders bevorzugt sind Glasfasern und Carbonfasern. Mit entsprechenden Fasern lassen sich erfindungsgemäße Schutzstruktur en mit besonders hoher mechanischer Beständigkeit erzeugen.The fibers of the fiber material are preferably selected from the group consisting of glass fibers, carbon fibers, ceramic fibers, basalt fibers, boron fibers, steel fibers, polymer fibers such as synthetic fibers, in particular aramid and nylon fibers, or mixtures of the aforementioned. Glass fibers and carbon fibers are particularly preferred. Using such fibers, protective structures according to the invention with particularly high mechanical resistance can be produced.
Carbonfasern werden besonders bevorzugt bei Schutzstrukturen für Luftfahrzeuganwendungen eingesetzt, insbesondere aufgrund des Gewichtsvorteils und des höheren E-Moduls, Glasfasern besonders bevorzugt in Kraftfahrzeuganwendungen.Carbon fibers are particularly preferred for protective structures for aircraft applications, particularly due to their weight advantage and higher modulus of elasticity, while glass fibers are particularly preferred in automotive applications.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei den Fasern des Fasermaterials um Naturfasern, insbesondere Naturpolymerfasern.In another preferred embodiment, the fibers of the fiber material are natural fibers, in particular natural polymer fibers.
Unter Naturfasern sind Fasern zu verstehen, die von natürlichen Quellen wie Pflanzen, Tieren oder Mineralien stammen und sich ohne weitere chemische Umwandlungsreaktionen direkt einsetzen lassen. Erfindungsgemäße Beispiele hierfür sind Flachs-, Jute-, Sisal- oder Hanffasern sowie Proteinfasern oder Baumwolle. Erfindungsgemäß eingesetzt werden können auch Regeneratfasern, d. h. Fasern, die aus natürlich vorkommenden, nachwachsenden Rohstoffen über chemische Prozesse hergestellt werden.Natural fibers are fibers that originate from natural sources such as plants, animals, or minerals and can be used directly without further chemical conversion reactions. Examples of these according to the invention are flax, jute, sisal, or hemp fibers, as well as protein fibers or cotton. Regenerated fibers, i.e., fibers that come from naturally occurring, growing raw materials using chemical processes.
Entsprechende Fasermaterialen zeichnen sich durch eine verbesserte Recyclierbarkeit und damit eine besonders hohe Nachhaltigkeit aus.Corresponding fiber materials are characterized by improved recyclability and thus particularly high sustainability.
Der Faser-Matrix-Komposit-Protektor kann in der Schutzstruktur auch in Kombination mit einem separaten, zweiten metallischen Protektor eingesetzt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Energiespeichervorrichtung daher einen zweiten, vorzugsweise plattenförmigen Protektor aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere Stahl, der vorzugsweise stoff-, form- oder stoffschlüssig, vorzugsweise stoffschlüssig, wie durch verkleben, mit dem Faser-Matrix-Komposit-Protektor verbunden ist.The fiber-matrix composite protector can also be used in the protective structure in combination with a separate, second metallic protector. In a preferred embodiment of the invention, the energy storage device therefore comprises a second, preferably plate-shaped protector made of a metallic material, in particular steel, which is preferably bonded to the fiber-matrix composite protector in a material-to-material, form-fitting, or cohesive manner, preferably by bonding.
Das Faserverbundbauteil, d. h. der Faser-Matrix-Komposit-Protektor, ist vorzugsweise integral, d. h. einstückig, also monolithisch, ausgestaltet. Besonders bevorzugt wird das Faserverbundbauteil bei seiner Herstellung durch einstückige Aushärtung erhalten. In einer anderen bevorzugten Ausführung ist das Faserverbundbauteil eine Faserverbundsandwichplatte, d. h. ein plattenförmiges Bauteil in Sandwichbauweise.The fiber composite component, i.e., the fiber-matrix composite protector, is preferably integral, i.e., monolithic. Particularly preferably, the fiber composite component is obtained by integral curing during its production. In another preferred embodiment, the fiber composite component is a fiber composite sandwich panel, i.e., a panel-shaped component with a sandwich construction.
Das Faserverbundbauteil, d. h. der Faser-Matrix-Komposit-Protektor, kann jedoch auch mehrere Lagen umfassen, vorzugsweise in Sandwichbauweise, wobei eine der Lagen eine Metallplatte, insbesondere eine Stahl- oder Kupferplatte, sein kann.However, the fiber composite component, i.e. the fiber-matrix composite protector, can also comprise several layers, preferably in a sandwich construction, wherein one of the layers can be a metal plate, in particular a steel or copper plate.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine der Lagen des Faser-Matrix-Komposit-Protektors eine Lage mit einem Matrixmaterial mit einem Kohlenstoffanteil ≥ 50 Gew.-%, z. B. aus einem ausgehärteten Phenolharz, und eine weitere Lage kann eine Lage mit einem geringeren Kohlenstoffanteil aus, beispielsweise eine ausgehärtete Epoxidharzlage.In a preferred embodiment of the invention, one of the layers of the fiber-matrix composite protector is a layer with a matrix material having a carbon content ≥ 50 wt.%, e.g., a cured phenolic resin, and a further layer can be a layer with a lower carbon content, e.g., a cured epoxy resin layer.
Wie bereits beschrieben, umfasst das Matrixmaterial vorzugsweise eine ungesättigte Verbindung, bevorzugter ein ungesättigtes Polymer.As already described, the matrix material preferably comprises an unsaturated compound, more preferably an unsaturated polymer.
Die eine oder die mehreren ungesättigten Kohlenstoff-Kohlenstoff- und/oder Kohlenstoff-Stickstoff-Bindungen der ungesättigten Verbindung werden im Rahmen eines Flammschlags zu sehr effizient zu einer (teil)aromatischen, carbonartigen Struktur umgesetzt. Die Erfinder gehen davon aus, dass es bei der Verwendung einer ungesättigten Kohlenstoff-Stickstoff-Bindung zu einer N2-Eliminierung kommt, die Teil des Carbonisierungsprozesses ist. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die ungesättigte Verbindung daher eine Kohlenstoff-Stickstoff-Bindung auf, insbesondere eine Kohlenstoff-Stickstoff-Doppelbindung.The one or more unsaturated carbon-carbon and/or carbon-nitrogen bonds of the unsaturated compound are very efficiently converted into a (partially) aromatic, carbonaceous structure during a flame reaction. The inventors assume that the use of an unsaturated carbon-nitrogen bond results in N2 elimination, which is part of the carbonization process. In a preferred embodiment of the invention, the unsaturated compound therefore has a carbon-nitrogen bond, in particular a carbon-nitrogen double bond.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die ungesättigte Verbindung eine ungesättigte Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung, insbesondere eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung, auf.In another preferred embodiment of the invention, the unsaturated compound has an unsaturated carbon-carbon bond, in particular a carbon-carbon double bond.
Besonders bevorzugt weist die ungesättigte Verbindung zwei, drei, vier, fünf oder mehr von ungesättigten Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen und/oder ungesättigten Kohlenstoff-Stickstoff-Bindungen auf.More preferably, the unsaturated compound has two, three, four, five or more unsaturated carbon-carbon bonds and/or unsaturated carbon-nitrogen bonds.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die ungesättigte Verbindung ein duroplastisches Polymermaterial mit mindestens einer konstitutionellen Repetiereinheit, die mindestens eine funktionelle Gruppe aufweist, welche eine ungesättigte Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung und/oder eine ungesättigte Kohlenstoff-Stickstoff-Bindung umfasst.In a preferred embodiment of the invention, the unsaturated compound is a thermosetting polymer material having at least one constitutional repeating unit which has at least one functional group comprising an unsaturated carbon-carbon bond and/or an unsaturated carbon-nitrogen bond.
In einer bevorzugten Ausführung weist die ungesättigte Verbindung zwei oder mehr Bindungen auf, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus ungesättigten Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen und ungesättigten Kohlenstoff-Stickstoff-Bindungen und wobei mindestens zwei dieser Bindungen konjugiert sind. Eine Konjugation der ungesättigten Bindungen erleichtert die Ausbildung einer aromatischen Struktur, wodurch die Carbonisierungsprozesse bevorzugt und damit in höherem Ausmaß ablaufen.In a preferred embodiment, the unsaturated compound has two or more bonds selected from the group consisting of unsaturated carbon-carbon bonds and unsaturated carbon-nitrogen bonds, and at least two of these bonds are conjugated. Conjugation of the unsaturated bonds facilitates the formation of an aromatic structure, whereby the carbonization processes occur preferentially and thus to a greater extent.
Vorzugsweise ist die funktionelle Gruppe Teil eines aromatischen Systems, wie z. B. Teil einer Furanyl-, Thiophenyl-, Pyrolyl-, Imidazolyl-, Pyrazolyl-, Oxazolyl-, Thiazolyl-, Phenyl-, Benzoyl- , Hydroxyphenyl- oder Pyiridinyl-Gruppe. Durch das Vorhandensein eines aromatischen Systems wird die weitere Aromatisierung im Rahmen des Carbonisierungsprozesses energetisch bevorzugt. Besonders bevorzugt sind die vorgenannten Gruppen Teil einer Repetiereinheit(en), wenn die ungesättigte Verbindung ein Polymer ist.Preferably, the functional group is part of an aromatic system, such as a furanyl, thiophenyl, pyrolyl, imidazolyl, pyrazolyl, oxazolyl, thiazolyl, phenyl, benzoyl, hydroxyphenyl, or pyridinyl group. The presence of an aromatic system energetically favors further aromatization during the carbonization process. The aforementioned groups are particularly preferably part of a repeating unit(s) when the unsaturated compound is a polymer.
Vorzugsweise ist die ungesättigte Verbindung ein duroplastisches Polymer ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Phenoplasten, ausgehärteten Melamin-, ausgehärteten Furan- und ausgehärteten Polyurethanharzen. Besonders bevorzugt sind aus der Härtung von Phenolharzen, bevorzugt Novolaken, erhaltene Materialien. Die duroplastischen Polymermateriale sind vorzugsweise nahezu vollständig vernetzt, wobei nahezu vollständig bedeutet, dass mindestens 40%, vorzugsweise mindestens 50%, bevorzugter mindestens 60%, noch stärker bevorzugt mindestens 70%, und am bevorzugtesten mindestens 80%, der potentiell vernetzbaren funktionellen Gruppen vernetzt sind.Preferably, the unsaturated compound is a thermosetting polymer selected from the group consisting of phenolic resins, cured melamine resins, cured furan resins, and cured polyurethane resins. Materials obtained from the curing of phenolic resins, preferably novolaks, are particularly preferred. The thermosetting polymer materials are preferably almost completely crosslinked, where almost completely means that at least 40%, preferably at least 50%, more preferably at least 60%, even more preferably at least 70%, and most preferably tensile tests at least 80% of the potentially crosslinkable functional groups are crosslinked.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem duroplastischen Polymermaterial um einen Phenoplast, der durch Vernetzung eines wärmehärtbaren Phenolformaldehydharzes erhalten wird. Besonders bevorzugt ist dabei das Molverhältnis Formaldehyd zu Phenol (F/P-Verhältnis) im Reaktionsansatzes zur Herstellung des wärmehärtbaren Phenolformaldehydharzes ≤ 1, bevorzugt ≤ 0,9, insbesondere im Bereich 0,6-0,9, bevorzugt 0,75-0,85.The thermosetting polymer material is preferably a phenolic resin obtained by crosslinking a thermosetting phenol-formaldehyde resin. The molar ratio of formaldehyde to phenol (F/P ratio) in the reaction mixture for producing the thermosetting phenol-formaldehyde resin is particularly preferably ≤ 1, preferably ≤ 0.9, in particular in the range 0.6-0.9, preferably 0.75-0.85.
Das erfindungsgemäße duroplastische Polymermaterial wird vorzugsweise durch Reaktion eines Harzes, wie einem Phenolharz, mit einem Härter erhalten. Der Härter ist vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Formaldehydspendern, wie Hexamethylentetramin, oder Methylolgruppen enthaltenden Melamin- oder Harnstoffkondensaten. Die Härter werden vorzugsweise in einer Menge von 1 bis 50 Gew.-%, vorzugsweise 2 bis 15 Gew.-%, bevorzugter 2 bis 5 Gew.-%, bezogen auf Phenolharz, eingesetzt.The thermosetting polymer material according to the invention is preferably obtained by reacting a resin, such as a phenolic resin, with a hardener. The hardener is preferably selected from the group consisting of formaldehyde donors, such as hexamethylenetetramine, or melamine or urea condensates containing methylol groups. The hardeners are preferably used in an amount of 1 to 50 wt.%, preferably 2 to 15 wt.%, more preferably 2 to 5 wt.%, based on the phenolic resin.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Matrixmaterial und/oder das Matrixpolymermaterial eine Kohlenstoffausbeute bei thermischer Pyrolyse von ≥ 40 %, vorzugsweise ≥ 50 %, noch stärker bevorzugt ≥ 55 %, noch erheblich stärker bevorzugt ≥ 60 % und am bevorzugtesten ≥ 65 % auf. Die Kohlenstoffausbeute kann in einer thermogravimetrischen Analyse ermittelt werden, wobei hierzu die thermische Behandlung einer ca. 30 mg Probe in einer N2-Atmosphäre erfolgt (60 ml/min Spülgasgeschwindigkeit) und ein lineares Heizprogramm von 20 °C bis 1000 °C gefahren wird, mit einer Heizrate von 10 °C/min. Die Kohlenstoffausbeute entspricht dem Verhältnis aus Restmasse zur initialen Masse des Matrixmaterials bzw. des Matrixpolymermaterials. Bei einer entsprechend hohen Ausbeute sind die erfindungsgemäßen Vorteile besonders stark ausgeprägt.In a preferred embodiment of the invention, the matrix material and/or the matrix polymer material has a carbon yield upon thermal pyrolysis of ≥ 40%, preferably ≥ 50%, even more preferably ≥ 55%, even more preferably ≥ 60%, and most preferably ≥ 65%. The carbon yield can be determined in a thermogravimetric analysis, whereby the thermal treatment of an approximately 30 mg sample is carried out in an N 2 atmosphere (60 ml/min purge gas rate) and a linear heating program is run from 20 °C to 1000 °C at a heating rate of 10 °C/min. The carbon yield corresponds to the ratio of residual mass to the initial mass of the matrix material or the matrix polymer material. With a correspondingly high yield, the advantages of the invention are particularly pronounced.
Das Matrixmaterial der erfindungsgemäßen Schutzstruktur kann weiterhin ein Additiv umfassen.The matrix material of the protective structure according to the invention may further comprise an additive.
Besonders bevorzugt ist das Additiv ein Flammschutzmittel, das vorzugsweise ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus stickstoffbasierten Flammschutzmitteln, anorganischen Flammschutzmitteln wie Graphitsalzen, Aluminiumtrihydroxid, Antimontrioxid, Ammoniumpolyphosphat, Phosphinate wie Aluminiumdiethylphosphinat, Mica, Muskovit, Guanidinen, Triazinen, Sulfaten, Boraten, Cyanuraten, Salzen davon und Mischungen davon. Hierdurch kann die Flammschutzaktivität Faser-Matrix-Komposit-Protektors noch weiter erhöht werden. Im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Schutzstruktur en kann aufgrund der intrinsischen Flammschutzaktivität in Folge des Carbonisierungsverhaltens ein deutlich niedrigerer Gehalt an Additiven, insbesondere Flammschutzmittel, eingesetzt werden, was sich insbesondere auf die mechanischen Eigenschaften der Schutzstrukturen positiv auswirkt. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Matrixmaterial ≤ 50 Gew.-% Additive, bevorzugt ≤ 45 Gew.-% Additive, stärker bevorzugt ≤ 40 Gew.-% Additive, noch stärker bevorzugt ≤ 35 Gew.-%, noch erheblich stärker bevorzugt ≤ 30 Gew.-% Additive und am bevorzugtesten ≤ 25 Gew.-% Additive auf, bevorzugt jedoch auch ≥ 0,01 Gew.-%.The additive is particularly preferably a flame retardant, which is preferably selected from the group consisting of nitrogen-based flame retardants, inorganic flame retardants such as graphite salts, aluminum trihydroxide, antimony trioxide, ammonium polyphosphate, phosphinates such as aluminum diethylphosphinate, mica, muscovite, guanidines, triazines, sulfates, borates, cyanurates, salts thereof, and mixtures thereof. This can further increase the flame retardancy of the fiber-matrix composite protector. In contrast to the protective structures known from the prior art, a significantly lower content of additives, in particular flame retardants, can be used due to the intrinsic flame retardancy resulting from the carbonization behavior, which has a particularly positive effect on the mechanical properties of the protective structures. In a preferred embodiment of the invention, the matrix material comprises ≤ 50 wt.% additives, preferably ≤ 45 wt.% additives, more preferably ≤ 40 wt.% additives, even more preferably ≤ 35 wt.%, even more preferably ≤ 30 wt.% additives and most preferably ≤ 25 wt.% additives, but preferably also ≥ 0.01 wt.%.
Bevorzugt liegt das Flammschutzmittel flächig, beispielsweise in Form einer Platte, in dem Faser-Matrix-Komposit-Protektor vor. Vorzugsweise handelt es sich in diesem Fall bei dem Flammschutzmittel um Mica.The flame retardant is preferably present in the fiber-matrix composite protector in a flat form, for example, in the form of a plate. In this case, the flame retardant is preferably mica.
Eine Flammschutzverstärkung kann auch nur an spezifischen Abschnitten des Faser-Matrix-Komposit-Protektors vorgesehen sein, beispielsweise kann bei einer flächigen Ausgestaltung des Faser-Matrix-Komposit-Protektors nur bei einem Teilabschnitt der Fläche eine Flammschutzplatte auf- oder eingebracht sein. Alternativ kann auch eine variierende Konzentration von Flammschutzadditiv im Matrixmaterial vorgesehen sein.Flame-retardant reinforcement can also be provided only on specific sections of the fiber-matrix composite protector. For example, in a flat design of the fiber-matrix composite protector, a flame-retardant plate can be applied or incorporated only on a portion of the surface. Alternatively, a varying concentration of flame-retardant additive can also be provided in the matrix material.
Für den Flammschutz kann auch eine Faserverstärkungsstruktur mit Flammschutzeigenschaften als Fasermaterial im Faser-Matrix-Komposit-Protektor vorgesehen sein.For flame retardancy, a fiber reinforcement structure with flame retardancy properties can also be provided as fiber material in the fiber-matrix composite protector.
In anderen bevorzugten Ausführungsformen ist das Additiv ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Antioxidantien, Licht-, insbesondere UV-Stabilisatoren, Weichmachern, Schäumungsmitteln, elektrischen Leitern, Wärmeleitern, Farbstoffe, elektrische Isolatoren, Füllstoffe, insbesondere zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften wie Schlagzäh-Modifizierer oder Gummi- oder Thermoplastpartikel sowie Mischungen der vorgenannten.In other preferred embodiments, the additive is selected from the group consisting of antioxidants, light, in particular UV stabilizers, plasticizers, foaming agents, electrical conductors, heat conductors, dyes, electrical insulators, fillers, in particular for improving the mechanical properties such as impact modifiers or rubber or thermoplastic particles as well as mixtures of the aforementioned.
Das Additiv kann im Matrixmaterial gelöst oder dispergiert vorliegen. Sofern es dispergiert vorliegt, so ist es vorzugsweise in Form eines Pulvers, von Flocken, Tubes oder Mischungen der vorgenannten Formen enthalten.The additive can be dissolved or dispersed in the matrix material. If dispersed, it is preferably in the form of a powder, flakes, tubes, or mixtures of the aforementioned forms.
Sofern es sich bei dem Additiv um ein Flammschutzmittel handelt, so ist dieses vorzugsweise aus der Gruppe der aktiven, d.h. kühlenden, Flammschutzmittel oder aus der Gruppe der passiven, d. h. dämmenden, Flammschutzmittel ausgewählt. Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Flammschutzmittel um ein intumeszierendes Flammschutzmittel.If the additive is a flame retardant, it is preferably selected from the group of active, i.e., cooling, flame retardants or from the group of passive, i.e., insulating, flame retardants. The flame retardant is particularly preferably an intumescent flame retardant.
Schließlich können die erfindungsgemäßen Matrixmaterialen auch Netzmittel enthalten. Netzmittel sind grenzflächenaktive Stoffe, die üblicherweise einen hydrophoben und einen hydrophilen Molekülteil aufweisen. Man unterscheidet dabei zwischen nichtionischen, anionischen und kationischen Netzmitteln. Netzmittel senken die Viskosität des Harzes. Dies ermöglicht, dass hierdurch die Penetration des Fasermateriales verbessert wird, was letztlich zu einer stärkeren Verbindung von Fasermaterial und Matrixmaterial führt. Die synergistische Wirkung, insbesondere die Stabilisierung der (teil)carbonisierten Struktur, wird hierdurch verbessert.Finally, the matrix materials according to the invention can also contain wetting agents. Wetting agents are surface-active substances that typically have a hydrophobic and a hydrophilic molecular moiety. A distinction is made between nonionic, anionic, and cationic wetting agents. Wetting agents reduce the viscosity of the resin. This improves the penetration of the fiber material, ultimately leading to a stronger bond between the fiber material and the matrix material. The synergistic effect, particularly the stabilization of the (partially) carbonized structure, is thereby enhanced.
Nichtionische Netzmittel sind beispielsweise Ester und Amide von Fettsäuren (gesättigte oder ungesättigte Carbonsäuren, die im Allgemeinen 4 bis 26 Kohlenstoffatomen im Molekül aufweisen), Fettamine (primäre Amine, die im Allgemeinen 6 bis 22 Kohlenstoffatome im Molekül aufweisen) oder Polyethylenglykolether bzw. Polypropylenglykolether von Alkoholen, Alkylphenolen oder Fettsäurealkanolamiden. Anionische Netzmittel sind z.B. Salze der Alkylmalon- oder Alkylbernsteinsäure, Alkylsulfonate, Fettsäureestersulfonate, perfluorierte Alkylsulfonate oder sulfatierte Fettsäureamide. Kationische Netzmittel sind Stoffe, wie Fettaminsalze, Salze von Alkylendiaminen und Polyaminen, Alkylbenzylammoniumsalze oder Alkylpyridiniumsalze.Nonionic wetting agents include, for example, esters and amides of fatty acids (saturated or unsaturated carboxylic acids, which generally have 4 to 26 carbon atoms in the molecule), fatty amines (primary amines, which generally have 6 to 22 carbon atoms in the molecule), or polyethylene glycol ethers or polypropylene glycol ethers of alcohols, alkylphenols, or fatty acid alkanolamides. Anionic wetting agents include, for example, salts of alkylmalonic or alkylsuccinic acid, alkylsulfonates, fatty acid ester sulfonates, perfluorinated alkylsulfonates, or sulfated fatty acid amides. Cationic wetting agents include substances such as fatty amine salts, salts of alkylenediamines and polyamines, alkylbenzylammonium salts, or alkylpyridinium salts.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst der Faser-Matrix-Komposit-Protektor Anbindungselemente, beispielsweise für weitere Elemente des Schutzstruktur, wobei die Anbindungselement vorzugsweise aus der Gruppe ausgewählt sind bestehend aus Retainern, Verprägungen, Rippen, Durchgangs- und Sacklöchern.In a preferred embodiment of the invention, the fiber-matrix composite protector comprises connecting elements, for example for further elements of the protective structure, wherein the connecting elements are preferably selected from the group consisting of retainers, embossments, ribs, through holes and blind holes.
Besonders bevorzugt ist das Vorsehen von Rippen, da entsprechende Verippungen zu einer höheren mechanischen Festigkeit führen.The provision of ribs is particularly preferred, since corresponding ribbing leads to higher mechanical strength.
Das erfindungsgemäße Halbzeug hat in diesem Zusammenhang den Vorteil, dass dieses eine sehr exakte Platzierung mehrerer Halbzeuge zueinander ermöglicht. Daher können beispielsweise Rippen als Halbzeug auf eine monolithisch geformte Halbzeugplatte sehr passgenau aufgebracht werden. Durch anschließende thermische Finalisierung, d.h. Konsolidierung, können dann auf sehr einfache Weise Faser-Matrix-Komposit-Protektoren mit verstärkendem Wellenrippen-Muster generiert werden.In this context, the semi-finished product according to the invention has the advantage of enabling very precise positioning of several semi-finished products relative to one another. This allows, for example, ribs to be applied as semi-finished products to a monolithically formed semi-finished plate with great precision. Through subsequent thermal finalization, i.e., consolidation, fiber-matrix composite protectors with a reinforcing corrugated rib pattern can then be generated very easily.
Ebenso können mit dem erfindungsgemäßen Halbzeug auch sehr leicht Lochverstärkungen hergestellt oder Inserts in den Faser-Matrix-Komposit-Protektor eingebracht werden. Bevorzugt umfasst der Faser-Matrix-Komposit-Protektor daher ein oder mehrere Inserts und/oder eine oder mehrere Lochverstärkungen.Likewise, the semi-finished product according to the invention can also be used very easily to produce hole reinforcements or to incorporate inserts into the fiber-matrix composite protector. Therefore, the fiber-matrix composite protector preferably comprises one or more inserts and/or one or more hole reinforcements.
Die Erfinder haben ebenfalls herausgefunden, dass mit dem erfindungsgemäßen Halbzeug die Herstellung eines Faser-Matrix-Komposit-Protektors mit variierender Wanddicke besonders effizient und einfach möglich ist. Hierzu können plattenförmige Lagen von Halbzeug entsprechend aufeinandergestapelt und dann thermisch finalisiert werden. Eine Variation der Wanddicke einer solchen Platte, insbesondere eine Reduktion im Bereich einer Krümmung ist besonders bevorzugt.The inventors have also discovered that the semi-finished product according to the invention allows for the particularly efficient and simple production of a fiber-matrix composite protector with varying wall thickness. For this purpose, plate-shaped layers of semi-finished products can be stacked on top of one another and then thermally finished. Varying the wall thickness of such a plate, in particular reducing it in the area of a curve, is particularly preferred.
Die Erfindung betrifft auch einen Faser-Matrix-Komposit-Protektor für eine Schutzstruktur für eine Energiespeichervorrichtung, wie sie in einem der Ansprüche und/oder den vorausgehenden und nachfolgenden Abschnitten des Beschreibungstextes definiert wird.The invention also relates to a fiber-matrix composite protector for a protective structure for an energy storage device as defined in any of the claims and/or the preceding and following sections of the description.
Die Erfindung betrifft auch eine Schutzstruktur für eine Energiespeichervorrichtung, wie sie in einem der Ansprüche und/oder den vorausgehenden und nachfolgenden Abschnitten des Beschreibungstextes definiert wird.The invention also relates to a protective structure for an energy storage device as defined in one of the claims and/or the preceding and following sections of the description text.
Besonders bevorzugt ist die Schutzstruktur ein Batteriegehäuse, insbesondere ein Batteriegehäuse für die Batterie eines Batterieelektrofahrzeugs, wie z. B. einen Lithium-Ionen-Akkumulator.Particularly preferably, the protective structure is a battery housing, in particular a battery housing for the battery of a battery electric vehicle, such as a lithium-ion accumulator.
Bevorzugt ist die Schutzstruktur der Unterfahrschutz oder Teil des Unterfahrschutzes eines Kraftfahrzeuges und die Erfindung betrifft vorzugsweise ein Kraftfahrzeug umfassend eine Energiespeichervorrichtung mit einer entsprechenden Schutzstruktur.Preferably, the protective structure is the underrun protection or part of the underrun protection of a motor vehicle and the invention preferably relates to a motor vehicle comprising an energy storage device with a corresponding protective structure.
Bevorzugt ist die Schutzstruktur ein Verkehrsmittelbauteil, insbesondere ein Kraftfahrzeugbauteil wie ein Karosseriebauteil. Besonders bevorzugt ist die Schutzstruktur ein Unterbodenschutz (auch Schlagschutzplatte oder Unterfahrschutz genannt) oder Stoßfänger, oder ein Batteriegehäuse, Batteriegehäuseteil und liegt vorzugsweise in Form einer Schutzplatte vor.The protective structure is preferably a vehicle component, in particular a motor vehicle component such as a body component. Particularly preferably, the protective structure is an underbody protection (also called an impact protection plate or underride protection) or bumper, or a battery housing, or battery housing part, and is preferably in the form of a protective plate.
Die Schutzstruktur kann auch Teil eines Luft- und Raumfahrzeugs, ein Schienenfahrzeugbauteil oder ein Teil der vorgenannten sein. Weitere bevorzugte Kraftfahrzeugbauteile sind ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kofferraumladeböden, Armaturentafeln, Tür- und Dachverkleidungen, Unterschutzteilen, Strukturbauteilen, Radhäusern, Motorraumteilen, Brems- und Kupplungsbeläge- und -scheiben, Schallisolierungen, Schubfelder und Dichtungen.The protective structure can also be part of an aircraft or spacecraft, a rail vehicle component, or a part of the aforementioned. Further preferred motor vehicle components are selected from the group consisting of trunk loading floors, instrument panels, door and roof panels, underbody protection parts, structural components, wheelhouses, engine compartment parts, brake and clutch linings and discs, sound insulation, shear panels, and seals.
Bevorzugt betrifft die Erfindung auch ein Fahrzeug, insbesondere ein Automobil, umfassend die erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung und/oder die erfindungsgemäße Schutzstruktur.The invention preferably also relates to a vehicle, in particular an automobile, comprising the energy storage device according to the invention and/or the protective structure according to the invention.
Besonders bevorzugt ist die Verwendung des Faser-Matrix-Komposit-Protektors als Teil eines Batteriegehäuses (das nicht zwangsläufig Teil eines Kraftfahrzeugs sein muss), insbesondere für eine Lithiumionen-Batterie. Besonders bevorzugt ist der Faser-Matrix-Komposit-Protektor und/oder die Schutzstruktur die Boden- oder Deckelplatte.Particularly preferred is the use of the fiber-matrix composite protector as part of a battery housing (which does not necessarily have to be part of a motor vehicle), especially for a lithium-ion battery. Particularly preferred is the fiber-matrix composite protector and/or the protective structure as the base or cover plate.
Die Schutzstruktur und/oder Faser-Matrix-Komposit-Protektor kann auch eine „Intercell Barrier“ sein.The protective structure and/or fiber-matrix composite protector can also be an “intercell barrier.”
Die Erfindung betrifft auch ein Faser-Matrix-Halbzeug, vorzugsweise ein Prepreg, zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Faser-Matrix-Komposit-Protektor umfassend ein Fasermaterial umfassend oder bestehend aus Lang- und/oder Endlosfasern und eine vorzugsweise härtbare, insbesondere wärmehärtbare, Harzzusammensetzung, wobei der der Kohlenstoffanteil der härtbaren Harzzusammensetzung ≥ 50 Gew.-%, vorzugsweise ≥ 70 Gew.-%, ist. Die härtbare Harzzusammensetzung verhüllt zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, die Lang- und/oder Endlosfasern des Fasermaterials. Das Fasermaterial liegt zumindest abschnittsweise, bevorzugt vollständig, in Form einer vorzugsweise textilen Flächenstruktur.The invention also relates to a fiber-matrix semi-finished product, preferably a prepreg, for producing a fiber-matrix composite protector according to the invention, comprising a fiber material comprising or consisting of long and/or continuous fibers and a preferably curable, in particular heat-curable, resin composition, wherein the carbon content of the curable resin composition is ≥ 50 wt. %, preferably ≥ 70 wt. %. The curable resin composition at least partially, preferably completely, envelops the long and/or continuous fibers of the fiber material. The fiber material is at least partially, preferably completely, in the form of a preferably textile surface structure.
Bevorzugt umfasst die härtbare Harzzusammensetzung eine ungesättigte Verbindung, vorzugsweise in Form eines Harzes mit mindestens einer konstitutionellen Repetiereinheit.Preferably, the curable resin composition comprises an unsaturated compound, preferably in the form of a resin having at least one constitutional repeating unit.
Insbesondere bei Verwendung eines Phenolharzes, wie einem Novolak, als wärmehärtbare, Harzzusammensetzung ermöglicht das erfindungsgemäße Halbzeug aufgrund des geringen Tacks eine gute Positionierung und damit ein endkonturnahes Pressen. Dies ist deutlich einfacher und besser als im trockenen Textil, da das erfindungsgemäße Halbzeug aufgrund des geringen Tacks und der ausreichenden, aber nicht zu hohen Steifigkeit, eine sehr gute Manipulierbarkeit aufweist. Eine individuelle Modellierung der Gestalt des Protektors ist daher auf sehr einfache Weise möglich.Particularly when using a phenolic resin, such as a novolak, as a thermosetting resin composition, the semi-finished product according to the invention enables good positioning and thus near-net-shape pressing due to its low tack. This is significantly easier and better than with dry textiles, as the semi-finished product according to the invention offers excellent handling due to its low tack and sufficient, but not excessive, rigidity. Individual modeling of the protector's shape is therefore very simple.
Beispielsweise können Verippungsstellen, lokale Patches, d.h. Aufdickungen, Lochverstärkung und Stacks sehr einfach hergestellt werden.For example, ribbing, local patches, i.e. thickening, hole reinforcement and stacks can be manufactured very easily.
Der mit einem ASTM D3121 Rolling Ball Tack Tester bestimmte Wert des erfindungsgemäßen Halbzeugs beträgt vorzugsweise > 15 cm, bevorzugter > 20 cm, noch bevorzugter > 25 cm und am bevorzugtesten > 30 cm.The value of the semi-finished product according to the invention determined with an ASTM D3121 Rolling Ball Tack Tester is preferably > 15 cm, more preferably > 20 cm, even more preferably > 25 cm and most preferably > 30 cm.
Auch Inserts können auf sehr einfache Weisung in dem Faser-Matrix-Komposit-Protektor vorgesehen werden. Hierzu können entsprechende Inserts in die Halbzeuge eingebracht werden oder die Halbzeuge um die Inserts platziert werden und nach der thermischen Finalisierung wird dann ein integrales Bauteil erhalten.Inserts can also be incorporated into the fiber-matrix composite protector in a very simple manner. For this purpose, appropriate inserts can be incorporated into the semi-finished products, or the semi-finished products can be placed around the inserts. After thermal finalization, an integral component is then obtained.
Bevorzugt umfasst das eingesetzte Harz eine konstitutionelle Repetiereinheit, welche mindestens eine funktionelle Gruppe umfasst, die eine ungesättigte Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung oder eine ungesättigte Kohlenstoff-Stickstoff-Bindung aufweist.Preferably, the resin used comprises a constitutional repeating unit which comprises at least one functional group having an unsaturated carbon-carbon bond or an unsaturated carbon-nitrogen bond.
Vorzugsweise ist das Faser-Matrix-Halbzeug derart ausgestaltet, dass zumindest eine Oberfläche des Halbzeugs im Wesentlichen vollständig, d. h. zu ≥ 70 %, vorzugsweise vollständig, mit Matrixmaterial bedeckt ist. Ein derartiges Faser-Matrix-Halbzeug zeichnet sich durch eine besonders gute Verarbeitbarkeit auf. Insbesondere die Kontaktierung mit weiteren Faserschichten, um komplexe Bauteile herzustellen, kann über die vollständig bedeckte Seite erfolgen, sodass ein möglichst geringes interlaminares Porenvolumen erzeugt wird. Die hieraus entstehenden Schutzstrukturen können daher besonders starken mechanischen Belastungen widerstehen. Die Erfindung betrifft auch eine Schutzstruktur, die durch das thermische Zusammenfügung solcher Halbzeuge erhalten wird.The fiber-matrix semi-finished product is preferably designed such that at least one surface of the semi-finished product is substantially completely covered, i.e., ≥ 70%, preferably completely, with matrix material. Such a fiber-matrix semi-finished product is characterized by particularly good processability. In particular, contact with additional fiber layers to produce complex components can be made via the completely covered side, thus creating the smallest possible interlaminar pore volume. The resulting protective structures can therefore withstand particularly strong mechanical loads. The invention also relates to a protective structure obtained by thermally joining such semi-finished products.
Die vorzugsweise verwendete härtbare Harzzusammensetzung des Faser-Matrix-Halbzeugs umfasst oder ist vorzugsweise ein Phenolharz, insbesondere ein Novolak, der besonders bevorzugt trocken ist, d. h. weniger als 10 Gew,-%, bevorzugt weniger als 5 Gew.-%, noch stärker bevorzugt weniger als 1 Gew.-%, Lösemittel aufweist. Solche trockenen, vorzugsweise wärmehärtbaren Harzzusammensetzungen des Faser-Matrix-Halbzeuges werden vorzugsweise durch Teilhärtung mit einem Härter erhalten, vorzugsweise einem Aminhärter wie Hexamethylentetramin. Die vorgenannten Phenolharze, insbesondere Novolake, insbesondere in den vorgenannten bevorzugten Ausführungsformen, zeigen eine hohe Lager- und Handlingstabilität (insbesondere eine geringe oder gar keine Klebrigkeit) bei Raumtemperatur, aber auch bis hin zu Temperaturen von 60 °C. Besonders ausgeprägt ist diese hohe Stabilität, wenn die Phenolharze, insbesondere Novolake, im „B-Zustand“ vorliegen, da dann weitere Polymerisations- und Vernetzungsreaktionen nicht oder nur zu einem untergeordneten Maße ablaufen. Besonders bevorzugt wird dies dadurch erzielt, dass die vorzugsweise wärmehärtbaren Zusammensetzungen durch einen Aminhärter, wie Hexamin, teilausgehärtet worden sind.The preferably used curable resin composition of the fiber-matrix semi-finished product preferably comprises or is a phenolic resin, in particular a novolak, which is particularly preferably dry, i.e., contains less than 10 wt. %, preferably less than 5 wt. %, even more preferably less than 1 wt. % solvent. Such dry, preferably thermosetting resin compositions of the fiber-matrix semi-finished product are preferably obtained by partial curing with a curing agent, preferably an amine curing agent such as hexamethylenetetramine. The aforementioned phenolic resins, in particular novolaks, particularly in the aforementioned preferred embodiments, exhibit high storage and handling stability (in particular, low or no tackiness) at room temperature, but also up to temperatures of 60°C. This high stability is particularly pronounced when the phenolic resins, in particular novolaks, are in the "B-stage," since then further polymerization and crosslinking reactions do not occur or only occur to a minor extent. This is particularly preferably achieved by partially curing the preferably thermosetting compositions using an amine hardener such as hexamine.
Die vorzugsweise wärmehärtbare Harzzusammensetzung, die insbesondere einen Novolak umfasst, weist vorzugsweise eine Glasübergangstemperatur (Tg) von ≥ 4 °C, bevorzugt ≥ 8 °C, stärker bevorzugt ≥ 12 °C, noch stärker bevorzugt ≥ 15 °C und am bevorzugtesten ≥ 20 °C, auf. Durch die Verwendung eines Novolaks, insbesondere mit den oben beschriebenen Tg-Werten, wird vermieden, dass sich das Faser-Matrix-Halbzeug klebrig anfühlt. Hieraus ergibt sich auch eine besonders gute Schneidbarkeit des Faser-Matrix-Halbzeuges.The preferably thermosetting resin composition, which in particular comprises a novolak, preferably has a glass transition temperature (T g ) of ≥ 4 °C, preferably ≥ 8 °C, more preferably ≥ 12 °C, even more preferably ≥ 15 °C and most preferably ≥ 20 °C. The use of a novolak, especially with the T g values described above, prevents the fiber-matrix semi-finished product from feeling sticky. This also results in particularly good cuttability of the fiber-matrix semi-finished product.
Der Gewichtsanteil des Fasermaterials am Faser-Matrix-Halbzeug liegt vorzugsweise im Bereich von 25-60 Gew.-%, bevorzugt 30-55 Gew.-%, noch stärker bevorzugt 35-50 Gew.-% und am bevorzugtesten 35-50 Gew.-%. In diesen Wertebereichen können sowohl Trockenstellen beim Faser-Matrix-Halbzeug als auch ein zu hoher Matrixausfluss bei der Prozessführung vermieden werden.The weight fraction of the fiber material in the fiber-matrix semi-finished product is preferably in the range of 25-60 wt.%, preferably 30-55 wt.%, even more preferably 35-50 wt.%, and most preferably 35-50 wt.%. Within these value ranges, both dry spots in the fiber-matrix semi-finished product and excessive matrix outflow during processing can be avoided.
Mit der Verwendung eines Novolaks lässt sich im Allgemeinen eine Färbung, wie sie beispielsweise bei Resolen auftritt, im Faser-Matrix-Halbzeug und/oder der Schutzstruktur vermeiden oder zumindest reduzieren.By using a novolak, coloration, such as that which occurs with resoles, can generally be avoided or at least reduced in the fiber-matrix semi-finished product and/or the protective structure.
Bei der Verwendung eines Phenolharzes für das Faser-Matrix-Halbzeug, insbesondere eines Novolaks, liegt die wärmehärtbare Zusammensetzung vorzugsweise im sogenannten „B-Zustand“ vor, d. h. die Zusammensetzung ist noch quellbar und schmelzbar, ist aber bereits in Lösemittel unlöslich. In der Regel wird dieser Zustand durch thermische Behandlung bei einer Temperatur von maximal 160 °C erreicht. Solche Harze ermöglichen insbesondere die einfache Integration von Oberflächen-, Handlings-, Schutz-, insbesondere UV-Schutz-, Mark-, und Farbfolien, sowie Folien zur Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV). Besonders bevorzugt sind auch Deckfunktionsschichten wie Schutzfolien für den Transport sowie Inmoldcoating, beispielsweise für eine bessere Lackierbarkeit. Vorzugsweise umfasst das Faser-Matrix-Halbzeug daher derartige Folien. Auch die erfindungsgemäße Schutzstruktur umfasst vorzugsweise derartige Folien. Die Verwendung von Phenolharzen, insbesondere im „B-Zustand“, ermöglicht aufgrund der geringen Fließfähigkeit zudem ein endkonturnahes Pressen.When using a phenolic resin for the fiber-matrix semi-finished product, in particular a novolak, the thermosetting composition is preferably in the so-called "B-stage," i.e., the composition is still swellable and meltable, but is already insoluble in solvents. This state is generally achieved by thermal treatment at a maximum temperature of 160°C. Such resins enable, in particular, the easy integration of surface, handling, protective, in particular UV-protective, marking, and color films, as well as films to improve electromagnetic compatibility (EMC). Cover functional layers such as protective films for transport and in-mold coating, for example, for improved paintability, are also particularly preferred. Therefore, the fiber-matrix semi-finished product preferably comprises such films. The protective structure according to the invention preferably also comprises such films. The use of phenolic resins, in particular in the "B-stage," also enables near-net-shape pressing due to their low flowability.
Prozesstechnisch ermöglicht die Verwendung der oben beschriebenen Phenolharze im „B-Zustand“, insbesondere von Novolaken, eine weitere Vereinfachung, denn die Reaktion ist bereits bis zur finalen Aushärtung bei der finalen Bauteilherstellung fortgeschritten. Das vereinfacht und beschleunigt den Gesamtprozess. Im Falle der Verwendung eines Novolaks mit einem Aminhärter wird bei der finalen Aushärtung des Faser-Matrix-Halbzeuges, bei welchem die erfindungsgemäße Schutzstruktur erhalten wird, die Grundstruktur der härtbaren Zusammensetzung im „B-Zustand“ wird jedoch nicht mehr verändert. Dies führt zu einer hohen Einsatzvariabilität (eine Art „phenolharzbasiertes Organosheet“) und einer sehr kurzen Reaktionszeit beim finalen Aushärtungsschritt. Darüber hinaus entweicht Ammoniak deutlich einfacher aus der Harzmatrix, sodass im Vergleich zu einer wasserabscheidenden Härtung (z. B. bei der Härtung mit hydroxymethylgruppenhaltigen Verbindungen) eine deutlich geringere Porenbildung zu beobachten ist. Hierdurch können dickwandigere und stabilere Schutzstruktur en erzeugt werden.In terms of process technology, the use of the above-described "B-stage" phenolic resins, particularly novolaks, enables further simplification, as the reaction has already progressed to the final curing stage during the final component production. This simplifies and accelerates the overall process. However, when using a novolak with an amine hardener, the basic structure of the curable composition in the "B-stage" is no longer altered during the final curing of the fiber-matrix semi-finished product, which produces the protective structure according to the invention. This leads to high application variability (a type of "phenolic resin-based organosheet") and a very short reaction time during the final curing step. Furthermore, ammonia escapes from the resin matrix much more easily, resulting in significantly less pore formation compared to water-separating curing (e.g., curing with compounds containing hydroxymethyl groups). This allows for the creation of thicker-walled and more stable protective structures.
Die Erfindung betrifft auch ein System („kits-of-parts“) zur Herstellung eines Faser-Matrix-Halbzeuges, so wie es in Anspruch 14 und oben definiert wird, wobei die Zusammensetzung ein Fasermaterial und eine vorzugsweise wärmehärtbare Harzzusammensetzung in Pulverform umfasst. Die Harzzusammensetzung ist bevorzugt trocken, d. h. weist weniger als 10 Gew,-%, bevorzugt weniger als 5 Gew.-% noch stärker bevorzugt weniger als 1 Gew.-%, Lösemittel auf. Die trockenen, vorzugsweise wärmehärtbaren Zusammensetzungen weisen vorzugsweise Härter, insbesondere Amine wie Hexamethylentetramin (auch „Hexamin“), auf. Die vorzugsweise wärmehärtbare Zusammensetzung liegt in diesem pulverförmigen System vorzugsweise im „A-Zustand“, insbesondere im „A2-Zustand“, vor.The invention also relates to a system (“kits of parts”) for producing a fiber-matrix semi-finished product, as defined in claim 14 and above, wherein the composition comprises a fiber material and a preferably thermosetting resin composition in powder form. The resin composition is preferably dry, i.e., contains less than 10 wt. %, preferably less than 5 wt. %, even more preferably less than 1 wt. %, of solvent. The dry, preferably thermosetting compositions preferably contain hardeners, in particular amines such as hexamethylenetetramine (also “hexamine”). The preferably thermosetting composition is preferably in the “A state,” in particular in the “A2 state,” in this powdered system.
Die Erfindung betrifft auch ein System („kits-of-parts“) zur Herstellung eines Faser-Matrix-Halbzeuges, wobei die Zusammensetzung ein Fasermaterial und eine vorzugsweise wärmehärtbare Harzzusammensetzung in Pulverform umfasst, wobei die wärmehärtbare Harzzusammensetzung ein Epoxidharz ist, dessen Kohlenstoffanteil ≥ 30 Gew.-%, vorzugsweise ≥ 40 Gew.-%, bevorzugter ≥ 50 Gew.-%, noch stärker bevorzugt ≥ 60 Gew.-%, noch erheblich stärker bevorzugt ≥ 60 Gew.-%, noch wesentlich erheblich stärker bevorzugt ≥ 65 Gew.-% oder ≥ 70 Gew.-%, und am bevorzugtesten ≥ 75 Gew.-% oder ≥ 80 Gew.-% oder sogar ≥ 85 Gew.- %, ist.The invention also relates to a system (“kits-of-parts”) for producing a fiber-matrix semi-finished product, wherein the composition comprises a fiber material and a preferably thermosetting resin composition in powder form, wherein the thermosetting resin composition is an epoxy resin whose carbon content is ≥ 30 wt.%, preferably ≥ 40 wt.%, more preferably ≥ 50 wt.%, even more preferably ≥ 60 wt.%, even considerably more preferably ≥ 60 wt.%, even considerably more preferably ≥ 65 wt.% or ≥ 70 wt.%, and most preferably ≥ 75 wt.% or ≥ 80 wt.% or even ≥ 85 wt.%.
Die Zugabe von Additiven kann im Rahmen des Handlings mit einem Pulverstreuer auf einfache Weise erfolgen. Die Additive können als separates Pulver beigemischt werden. Vorzugsweise erfolgt die Zugabe von Additiven, insbesondere dem Härter, in der Weise, dass diese im Wesentlichen homogen im Harzpulver verteilt sind. Im Gegensatz zur Verwendung einzelner Pulver von wärmehärtbarer Zusammensetzung und Härter kann so eine Segregation der Pulver aufgrund von Dichteunterschieden im Laufe des Herstellverfahrens vermieden und dadurch eine homogene Verteilung des Härters im Faser-Matrix-Halbzeug sichergestellt werden. Das System umfasst daher vorzugsweise auch einen Härter, der gelöst und/oder dispergiert in der pulverförmigen, wärmehärtbaren Harzzusammensetzung vorliegt. In einer anderen Ausführungsform umfasst das System den Härter als separates Pulver. Bevorzugt sind die Additive, insbesondere der Härter, jedoch in der Harzzusammensetzung gelöst und/oder dispergiert.The addition of additives can be carried out easily during handling using a powder spreader. The additives can be mixed in as a separate powder. Preferably, the addition of additives, in particular the hardener, is carried out in such a way that they are distributed essentially homogeneously in the resin powder. In contrast to the use of individual powders of thermosetting composition and hardener, this avoids segregation of the powders due to density differences during the manufacturing process, thereby ensuring a homogeneous distribution of the hardener in the fiber-matrix semi-finished product. The system therefore preferably also comprises a hardener that is dissolved and/or dispersed in the powdered, thermosetting resin composition. In another embodiment, the system comprises the hardener as a separate powder. The additives, in particular the hardener, are preferably but dissolved and/or dispersed in the resin composition.
Die Erfindung betrifft auch die Verwendung des erfindungsgemäßen Faser-Matrix-Komposit-Protektors in einer Energiespeichervorrichtung wie einer Batteriestruktur. Die Erfindung betrifft auch die Verwendung der erfindungsgemäßen Faser-Matrix-Komposit-Protektors zum Schutz einer Energiespeichervorrichtung und/oder einer Schutzstruktur zum Schutze vor einer Batterie, genauer gesagt zum Schutz vor Gefahren durch eine Batterie.The invention also relates to the use of the fiber-matrix composite protector according to the invention in an energy storage device such as a battery structure. The invention also relates to the use of the fiber-matrix composite protector according to the invention for protecting an energy storage device and/or a protective structure for protecting against a battery, more specifically for protecting against hazards posed by a battery.
Die Erfindung betrifft auch die Verwendung eines Matrixpolymermaterials und/oder eines Matrixmatierals mit ≥ 50 Gew.-%, vorzugsweise ≥ 70 Gew.-%, Kohlenstoffanteil in einer Schutzstruktur für eine Energiespeichervorrichtung, insbesondere in einer Schutzstruktur einer Energiespeichervorrichtung eines Elektrofahrzeuges. Besonders bevorzugt ist dabei ein Matrixmaterial und/oder Matrixpolymermaterial mit einer ungesättigten Verbindung, insbesondere die Verwendung eines duroplastischen Polymermaterials mit mindestens einer konstitutionellen Repetiereinheit, welche eine ungesättigte Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung und/oder eine ungesättigte Kohlenstoff-Stickstoff-Bindung aufweist.The invention also relates to the use of a matrix polymer material and/or a matrix material with ≥ 50 wt. %, preferably ≥ 70 wt. %, carbon content in a protective structure for an energy storage device, in particular in a protective structure of an energy storage device of an electric vehicle. A matrix material and/or matrix polymer material with an unsaturated compound is particularly preferred, in particular the use of a thermosetting polymer material with at least one constitutional repeating unit having an unsaturated carbon-carbon bond and/or an unsaturated carbon-nitrogen bond.
Besonders bevorzugt ist die Verwendung eines aus einem Phenolharz, insbesondere einem Novolak, durch Härtung erhaltenen duroplastischen Polymermaterials als Matrixpolymermaterial für eine Faser-Matrix-Komposit-Protektors für eine Energiespeichervorrichtung, insbesondere für eine Schutzstruktur für ein Batteriegehäuse eines Elektrofahrzeuges. Die Erfindung betrifft auch die Verwendung eines aus einem Phenolharz, insbesondere einem Novolak, durch Vernetzung erhaltenen duroplastischen Polymermaterials als Matrixpolymermaterial in einem Faser-Matrix-Komposit-Protektor für eine Energiespeichervorrichtung mit einem Energiespeichermedium und einer das Energiespeichermedium zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, verhüllende Schutzstruktur, wobei die Schutzstruktur und/oder das Energiespeicher/oder der Faser-Matrix-Komposit-Protektor vorzugsweise miteinander verbunden sind. Besonders bevorzugt ist der Faser-Matrix-Komposit-Protektor an einer der Innen- oder Außenseiten der Schutzstruktur und/oder an dem Energiespeichermedium angeordnet, insbesondere befestigt.Particularly preferred is the use of a thermosetting polymer material obtained from a phenolic resin, in particular a novolak, by curing as a matrix polymer material for a fiber-matrix composite protector for an energy storage device, in particular for a protective structure for a battery housing of an electric vehicle. The invention also relates to the use of a thermosetting polymer material obtained from a phenolic resin, in particular a novolak, by crosslinking as a matrix polymer material in a fiber-matrix composite protector for an energy storage device with an energy storage medium and a protective structure that at least partially, preferably completely, envelops the energy storage medium, wherein the protective structure and/or the energy storage device/or the fiber-matrix composite protector are preferably connected to one another. Particularly preferably, the fiber-matrix composite protector is arranged, in particular fastened, on one of the inner or outer sides of the protective structure and/or on the energy storage medium.
Die Erfindung betrifft auch die Herstellung eines Faser-Matrix-Halbzeug sowie einem Faser-Matrix-Komposit-Protektor aus diesem Faser-Matrix-Halbzeug. Eine Methode zur Herstellung des Faser-Matrix-Komposit-Protektors umfasst einen ersten Schritt zur Herstellung des Faser-Matrix-Halbzeugs und einen anschließenden Schritt zur thermischen Finalisierung und wird beispielhaft im Folgenden dargestellt.The invention also relates to the production of a fiber-matrix semi-finished product and a fiber-matrix composite protector from this fiber-matrix semi-finished product. A method for producing the fiber-matrix composite protector comprises a first step for producing the fiber-matrix semi-finished product and a subsequent thermal finishing step, and is presented below as an example.
Schritt 1: Herstellung des Faser-Matrix-Halbzeugs mittels Pulver-KaschierenStep 1: Production of the fiber matrix semi-finished product by powder lamination
Im ersten Schritt der Herstellung der Schutzstruktur wird Novolak (erhalten aus Formaldehyd und Phenol, F/P-Verhältnis <1) mit einem gewichtsgemittelten Molekulargewicht von ~500 g/mol und darin enthaltenem Hexamethylentetramin-Härter auf ein Textil aufgebracht, bei einer Temperatur von 100-150 °C aufgeschmolzen und anschließend in den Fasermaterial unter Anwendung einer Kraft in die Textilstruktur mittels einer Doppelbandpresse eingebracht. Der Kohlenstoffanteil des Novolaks mit Härter beträgt > 74 Gew.-% Durch Abkühlen wird ein Faser-Matrix-Halbzeug erhalten. Der Umsetzungsgrad, d. h. das Ausmaß der Teilhärtung, des wärmehärtbaren Matrixmaterials kann über die Presszeit und/oder Presstemperatur und/oder den Pressdruck reguliert werden. Hierdurch kann die Sprödheit des Materials gesteuert werden. Nach der Auskühlung liegt der Novolak im „B-Zustand“ vor, der Kohlenstoffanteil beträgt > 76 Gew.-%.In the first step of producing the protective structure, novolak (obtained from formaldehyde and phenol, F/P ratio <1) with a weight-average molecular weight of ~500 g/mol and the hexamethylenetetramine hardener contained therein is applied to a textile, melted at a temperature of 100-150 °C, and then introduced into the fiber material by applying force into the textile structure using a double-belt press. The carbon content of the novolak with hardener is > 74 wt.%. Cooling produces a fiber-matrix semi-finished product. The degree of conversion, i.e., the extent of partial curing, of the thermosetting matrix material can be regulated via the pressing time and/or pressing temperature and/or pressing pressure. This allows the brittleness of the material to be controlled. After cooling, the novolak is in the "B-stage," with a carbon content of > 76 wt.%.
Schritt 2: Thermische Finalisierung zur Herstellung der SchutzstrukturStep 2: Thermal finalization to produce the protective structure
Im anschließenden zweiten Verfahrensschritt wird das in Schritt 1 erhaltene Faser-Matrix-Halbzeug bei erhöhter Temperatur durch formgebende, temperierte (ca. 140-200°C) Werkzeuge in die gewünschte Endkontur gebracht (z. B. L-Profil, etc.). Bevorzugt können mehrere Faser-Matrix-Halbzeuge übereinandergestapelt, d.h. ein sogenannter Stack gebildet werden, um hieraus nach der finalen Härtung ein einheitliches Endprodukt zu erhalten.In the subsequent second process step, the fiber-matrix semi-finished product obtained in step 1 is formed into the desired final contour (e.g., L-shaped profile, etc.) at elevated temperature using shaping tools (approx. 140-200°C). Preferably, several fiber-matrix semi-finished products can be stacked on top of each other, i.e., forming a so-called stack, in order to obtain a uniform end product after final curing.
Schritte 1 und 2 können sowohl kontinuierlich, d. h. zeitlich direkt aufeinanderfolgend, als auch diskontinuierlich, d. h. zeitlich getrennt, erfolgen. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens können deutlich dickwandigere Bauteile, wie Laminate, als die aus dem Stand der Technik bekannten hergestellt werden. Klassische Vergussharzsysteme sind aufgrund der Harzmenge, der Tränkungsstrecke und der Exothermie in der Regel schwer verarbeitbar, sodass die Bauteildicke hier begrenzt ist. Dies gilt insbesondere für den klassischen Nassspressprozess, bei welchem ab einer bestimmten Dicke das Harzsystem die Faserlagen nicht mehr vollständig infiltrieren kann.Steps 1 and 2 can be performed both continuously, i.e., directly following one another in time, or discontinuously, i.e., separated in time. Using the method according to the invention, significantly thicker-walled components, such as laminates, can be produced than those known from the prior art. Conventional potting resin systems are generally difficult to process due to the resin quantity, the impregnation distance, and the exothermic nature, so the component thickness is limited. This applies particularly to the conventional wet-molding process, in which, beyond a certain thickness, the resin system can no longer fully infiltrate the fiber layers.
Bei der Verwendung eines RTM-Prozesses werden hingegen ein oder mehrere Angusspunkte genutzt, welche dann in der Regel nicht perfekt optisch kaschiert werden können. Zudem sorgt der Anguss stets für eine Ungleichverteilung des Matrixmaterials, da der Fasermaterial aufgrund der oben beschriebenen Probleme, insbesondere bei großen Strukturen, nur sehr schwer vollständig zu infiltrieren ist.When using an RTM process, however, one or more gate points are used, which usually cannot be perfectly concealed. Furthermore, the gate always causes an uneven distribution of the matrix material, since the fiber material is not evenly distributed due to the above-mentioned described problems, especially in large structures, are very difficult to infiltrate completely.
Dadurch, dass im erfindungsgemäßen Verfahren das finale Bauteil durch das Verbinden nahezu vollständig mit Harz getränkter, dünner Schichten erzielt wird, bestehen diese Probleme hier nicht.Since in the process according to the invention the final component is achieved by joining thin layers that are almost completely impregnated with resin, these problems do not exist here.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der erfindungsgemäße Faser-Matrix-Komposit-Protektor daher eine Platte, die eine Dicke aufweist, die ≥ 0,3 mm, bevorzugt ≥ 1 mm ist, bevorzugter ≥ 1,5 mm, noch stärker bevorzugt ≥ 2,5 mm, noch erheblich stärker bevorzugt ≥ 3,5 mm und am bevorzugtesten ≥ 5 mm. In einer solchen Platte ist der Fasermaterial vorzugsweise im Wesentlichen vollständig (d. h. zu mehr als 95 Vol.-%) eingebettet. Bevorzugt wird dieser Faser-Matrix-Komposit-Protektor durch ein Verfahren erhalten, das folgende Schritte umfasst:
- I) Herstellung des Faser-Matrix-Halbzeugs durch
- a) Aufbringen einer trockenen, pulverförmigen und wärmehärtbaren Harzzusammensetzung, mit einem Kohlenstoffanteil ≥ 50 Gew.-%, insbesondere eines Novolaks, zur Herstellung eines Phenoplasts, auf ein Textil,
- b) Aufschmelzen der Harzzusammensetzung bei 100-240 °C und
- c) Infiltrieren des Textils mit Harz, vorzugsweise durch Anwenden einer Kraft,
- II) Herstellung eines Faser-Matrix-Komposit-Protektors aus einem oder mehreren der unter Schritt I) hergestellten Faser-Matrix-Halbzeuge durch
- a) Optional: Stapeln mehrerer Faser-Matrix-Halbzeuge in einer Presse
- b) Verpressen des Faser-Matrix-Halbzeuges oder des Stapels der Faser-Matrix-Halbzeuge bei einer Temperatur von 150 °C bis 250° C, insbesondere 160 °C bis 180 °C.
- I) Production of the fiber-matrix semi-finished product by
- a) applying a dry, powdery and thermosetting resin composition, with a carbon content ≥ 50 wt.%, in particular a novolak, to produce a phenolic resin, to a textile,
- b) Melting the resin composition at 100-240 °C and
- c) Infiltrating the textile with resin, preferably by applying a force,
- II) Production of a fiber-matrix composite protector from one or more of the fiber-matrix semi-finished products produced under step I) by
- a) Optional: Stacking of several fiber matrix semi-finished products in one press
- b) Pressing the fiber-matrix semi-finished product or the stack of fiber-matrix semi-finished products at a temperature of 150 °C to 250 °C, in particular 160 °C to 180 °C.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht zudem die Verwendung feinmaschiger Gewebe mit geringem Flächengewicht (≤ 200 g/m2), die aufgrund der schwierigen Infiltration in üblichen Herstellverfahren, wie dem Nasspressen, nicht verarbeitet werden können. Die Erfindung betrifft daher vorzugsweise ein Faser-Matrix-Halbzeug sowie einen Faser-Matrix-Komposit-Protektor umfassend feinmaschiges Gewebe mit einem Flächengewicht ≤ 200 g/m2, vorzugsweise ≤ 150 g/m2, noch stärker bevorzugt ≤ 120 g/m2, und am bevorzugtesten ≤ 90 g/m2. Bevorzugt wird der Faser-Matrix-Komposit-Protektor mit einem entsprechenden Gewerbe durch ein Verfahren erhalten, das die oben definierten Schritte umfasst.The process according to the invention also enables the use of fine-mesh fabrics with a low basis weight (≤ 200 g/m 2 ), which cannot be processed in conventional manufacturing processes, such as wet pressing, due to difficult infiltration. The invention therefore preferably relates to a fiber-matrix semi-finished product and a fiber-matrix composite protector comprising fine-mesh fabric with a basis weight ≤ 200 g/m 2 , preferably ≤ 150 g/m 2 , even more preferably ≤ 120 g/m 2 , and most preferably ≤ 90 g/m 2 . The fiber-matrix composite protector with a corresponding fabric is preferably obtained by a process comprising the steps defined above.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren auch die mechanische Bearbeitung der Halbzeuge und/oder des Faser-Matrix-Komposit-Protektors.Preferably, the method also includes the mechanical processing of the semi-finished products and/or the fiber-matrix composite protector.
Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zur Reparatur von Faser-Matrix-Kompositen, bei welchem ein erfindungsgemäßes Faser-Matrix-Halbzeug auf eine Defekt- oder Fehlstelle in einem vorzugsweise ausgehärteten Faser-Matrix-Komposit-Bauteil aufgebracht wird und im Anschluss eine thermische Finalisierung durchgeführt wird.The invention also includes a method for repairing fiber-matrix composites, in which a fiber-matrix semi-finished product according to the invention is applied to a defect or flaw in a preferably cured fiber-matrix composite component and a thermal finalization is subsequently carried out.
FIGURENLISTELIST OF FIGURES
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert.
-
1 und4 zeigen schematisch Schritt 1 eines Verfahrens zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Faser-Matrix-Komposit-Protektors. -
2 zeigt schematisch Schritt 2 eines Verfahrens zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Faser-Matrix-Komposit-Protektors. -
3 zeigt schematisch einen Multimatrix-Faser-Matrix-Komposit-Protektor mit lokal unterschiedlichen Matrixsystemen.
-
1 and4 show schematically step 1 of a method for producing a fiber-matrix composite protector according to the invention. -
2 shows schematically step 2 of a method for producing a fiber-matrix composite protector according to the invention. -
3 shows a schematic representation of a multimatrix fiber-matrix composite protector with locally different matrix systems.
BESCHREIBUNG EINES AUSFÜHRUNGSBEISPIELSDESCRIPTION OF AN EMBODIMENT
Zur Herstellung eines solchen Kompositbauteils wird ein Abwickler mit einem Glasgelege bestückt. Die Gesamtgrammatur des Glasgeleges sowie die Verteilung der Anteile verschiedener Faserverlaufsrichtungen (z. B. unter 0°, + und - 45° sowie 90° in Bezug auf die Fahrzeuglängsachse) werden entsprechend der mechanischen und sonstigen Belastungen des Deckels/Bodens während des Design-Prozesses festgelegt. In einem einfachen Grundaufbau sind die Anteile der Verlaufsrichtungen in 0°, - 45°, 45° und 90° gleich groß, so dass ein sogenanntes quasiisotropes Laminat verwendet wird.To manufacture such a composite component, a winder is loaded with a glass fabric. The total grammage of the glass fabric and the distribution of the proportions of different fiber orientations (e.g., at 0°, + and - 45°, and 90° relative to the vehicle's longitudinal axis) are determined during the design process according to the mechanical and other loads on the cover/floor. In a simple basic structure, the proportions of the orientations at 0°, - 45°, 45°, and 90° are equal, resulting in a so-called quasi-isotropic laminate.
Mit Hilfe des Abwicklers wird das Glasgelege einer Pulverkaschieranlage mit einem Pulverstreuer zugeführt. Mit Hilfe des Pulverstreuers wird auf das Gelege eine Harz-Härter-Mischung in Form eines Pulvers flächig verteilt und dann einer Doppelbandpresse zugeführt (Temperatur der Presse -120 °C). Bei dem Harzmaterial handelt es sich um ein Novolak (erhalten aus Formaldehyd und Phenol, F/P-Verhältnis 0,75) mit einem gewichtsgemittelten Molekulargewicht von -500 g/mol und darin enthaltenem Hexamethylentetramin-Härter. Das Harzmaterial wird hierdurch in das Gelege gepresst und die Verstärkungsfasern damit in das Harz eingebettet. Dieser Prozessschritt wird schematisch in
Das hieraus erhaltene Faser-Matrix-Halbzeug, in diesem Fall das Prepregmaterial, ist bei Raumtemperatur (~23 °C) lagerstabil (d. h. es findet über einen Zeitraum von mindestens 2 Tagen keine Umwandlung in den „C-Zustand“ statt) und weist im Wesentlichen keine Klebrigkeit auf.The resulting fiber-matrix semi-finished product, in this case the prepreg material, is storage-stable at room temperature (~23 °C) (i.e., no conversion to the "C-state" occurs over a period of at least 2 days) and exhibits essentially no stickiness.
Zur Herstellung des Faser-Matrix-Komposit-Protektors wird das Halbzeug in Schritt 2 des Verfahrens auf Kontur geschnitten und auf eine gewünschte Dicke gestapelt. Anschließend wird der Stapel in eine offene Presse mit Quetschkante eingelegt, die Presse geschlossen und das Bauteil bei einer Temperatur von 140-200 °C weggesteuert verpresst und damit das Matrixpolymermaterial vollständig ausgehärtet. Die Härtezeit beträgt mehrere Minuten. Dieser Prozessschritt wird in
Anschließend wird das Bauteil aus der Form entnommen und den finalen Arbeitsschritten zugeführt.The component is then removed from the mold and moved on to the final processing steps.
Je nach Anordnung der Batteriezellen im Gehäuse sind im Fall eines Batteriebrands bestimmte Bereiche des Deckels besonders hohen Temperaturen ausgesetzt. In einer Ausführungsform der Erfindung weist das Matrixpolymermaterial des Faser-Matrix-Protektors daher nur an diesen besonders starken Belastungen ausgesetzten Stellen ein Matrixmaterial mit einem entsprechend hohen Kohlenstoffanteil, z. B. ein Novolak mit Kohlenstoffanteil ≥ 70 Gew.- %, auf. Derartige Stellen sind in der schematischen Darstellung der
BezugszeichenReference symbol
- 11
- Härtbare Harzzusammensetzung in PulverformCurable resin composition in powder form
- 22
- Textile FasermaterialschichtTextile fiber material layer
- 33
- Vollständig harzbeschichtete Oberflächenseite Faser-Matrix-HalbzeugFully resin-coated surface side fiber matrix semi-finished product
- 44
- Faser-Matrix-HalbzeugFiber-matrix semi-finished product
- 55
- Schutzstrukturprotective structure
- 66
- Novolak angereicherte Matrixzone der SchutzstrukturNovolak-enriched matrix zone of the protective structure
- 77
- Abwickler mit GlasfasergelegeUnwinder with glass fiber fabric
- 88
- PulverstreuerPowder spreader
- 99
- Heizzone der DoppelbandpresseHeating zone of the double belt press
- 1010
- Kühlzone der DoppelbandpresseCooling zone of the double belt press
- 1111
- Aufwicklungsvorrichtung HalbzeugWinding device semi-finished product
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES CONTAINED IN THE DESCRIPTION
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- DIN EN ISO 14125:2011-05 [0039, 0040]DIN EN ISO 14125:2011-05 [0039, 0040]
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