Beschichtung für Batteriespeicher und Elektromobilität

Der Wandel zu regenerativer Energieversorgung und Elektromobilität bringt ganz neue Anforderungen an die Oberflächenbeschichtung mit sich. Standen bisher der Korrosionsschutz oder die Optik im Vordergrund, sind heute zusätzlich elektrotechnische Eigenschaften gefragt, die durch eine Beschichtung erbracht werden müssen. Ein zentrales Thema ist dabei die Isolation metallischer Bauteile zum sicheren Schutz vor Spannungsüberschlägen. 
Konventionelle Lacke können diese Anforderungen nicht erfüllen, neue Lacke in Kombination mit dem richtigen Verfahren bzw. Beschichtungsprozess hingegen schon. Der Oberflächen-Spezialist BENSELER beschäftigt sich bereits seit einigen Jahren mit den neuen Herausforderungen in der Automobil- und Energiewirtschaft und bietet praxiserprobte Lösungen.

Bei BENSELER liegt der Schwerpunkt auf Industrie- und Automotiveanwendungen, die zum Schutz elektrischer Stromspeichersystem einen hohen Grad an Isolationssicherheit metallischer Bauteile aus Aluminium oder Stahl erfordern. Diese kommen aufgrund ihrer positiven statischen Eigenschaften häufig zum Einsatz, beispielsweise als Gehäuse, Abdeckungen oder Kühl- und Seitenplatten von Batteriesystemen in E-Autos. Doch auch der Non-Automotive-Anteil wächst: Batteriespeicher im großen Maßstab puffern die Energieleistung regenerativer Kraftwerke aus Wind und Sonne. Die dafür notwendigen Batteriesysteme, sogenannte Stationärspeicher, müssen in stabilen Racks sicher installiert sein. Während Kunststoffe den Vorteil besitzen, elektrische Ströme nicht zu leiten, erreichen sie häufig nicht die geforderten Werte in Punkte Steifigkeit und Stabilität. Außerdem sind sie weniger hitzebeständig. Im Karosseriebau und auch bei der Installation von Batterie-Großspeichern sind Metallteile deshalb unerlässlich. Gefragt sind wirtschaftliche Beschichtungsverfahren, die eine dauerhaft verlässliche Isolation gewährleisten.

Isolation ist keine Beschichtung wie jede andere
Die Anforderungen an eine Isolationsbeschichtung unterscheiden sich deutlich von klassischen Beschichtungen. Denn um eine vollständige Isolation zu gewährleisten, genügt eine einfache Beschichtung – auch in Verbindung mit einer vorherigen KTL-Grundierung – meist nicht. Feinste Poren und Unebenheiten in der Beschichtung können Spannungsüberschläge ermöglichen und müssen daher durch geeignete Maßnahmen vollständig eliminiert werden. Hier sind sowohl Eingriffe in den Beschichtungsprozess und dessen Parametern als auch im Temperaturregime erforderlich. Beides wirkt sich sowohl auf die Reaktionseigenschaften des verwendeten Lacks als auch auf die Vor- und Nachbearbeitung der Werkstücke aus.

Lückenlose Qualitätssicherung
Aufgrund der systemrelevanten technischen Sicherheitsfunktion der beschichteten Bauteile gelten deutlich höhere Anforderungen an die Qualitätssicherung als etwa bei klassischen Korrosionsschutzbeschichtungen. Eine einfache Sichtprüfung ist für eine Isolationsbeschichtung nicht ausreichend. Stattdessen ist in der Regel eine technische 100-Prozent-Prüfungen der Durchschlagsfestigkeit über die gesamte Oberfläche aller Teile einer Serie erforderlich, inklusive einer lückenlosen Dokumentation. Neben speziellem technischen Know-how setzt dies auch entsprechendes Equipment und geschultes Personal voraus. Ohne eine solche Durchschlagsprüfung ist keine verlässliche Aussage zur Qualität der Isolation möglich. Aufgrund der sicherheitsrelevanten Eigenschaften führt zudem jede Unregelmäßigkeit zum sofortigen Ausschluss der beschichteten Bauteile, was hohe Ausschussquoten und Bauteilkosten verursachen kann.

Neue Konzepte zur wirtschaftlichen Nachbearbeitung und Maskierung
Im Vordergrund einer Großserienbeschichtung steht für BENSELER immer die Wirtschaftlichkeit einer Lösung für die Kunden. Die gewählten Verfahren müssen gleichermaßen die technischen Anforderungen wie auch die ökonomischen Rahmenbedingungen erfüllen. Dazu gehört schon im Vorfeld einer Serienbeschichtung die Entwicklung passender Nachbearbeitungskonzepte, um Ausschussquoten so gering wie möglich zu halten.

Im Zusammenhang mit den neuen Isolationsbeschichtungen stellt sich dabei insbesondere die Frage, wie sich nicht anforderungsgerecht beschichtete Teile sicher nachbearbeiten lassen, sodass sie die anschließende Isolationsprüfung und die geforderten Werte in puncto Dauerhaftigkeit der Isolierung erfüllen. Eine nachbearbeitete Stelle muss dabei die gleichen technischen Standards erreichen, wie der originale Beschichtungsaufbau. Dafür kommen unterschiedliche Verfahren infrage, die jedoch immer individuell auf die Funktionsanforderung der Bauteile, den verwendeten Lack, den Schichtaufbau sowie die Anforderungen an die Haltbarkeit abgestimmt werden müssen.

Eine universelle Lösung aus dem Regal gibt es deshalb nicht. BENSELER entwickelt und erarbeitet in enger Abstimmung mit Lackherstellern und Kunden die jeweils passende Lösung. Eine sektionale oder vollständige Entlackung und anschließende Neubeschichtung isolationsbeschichteter Bauteile ist beispielsweise aufgrund der hohen Schichtdicken in der Regel wirtschaftlich kaum umsetzbar. Umso wichtiger ist die vorausschauende Planung von Maskierungen in der Entwicklungsphase. Häufig dürfen nicht alle Flächen der Bauteile mit einer Isolationsbeschichtung versehen werden – etwa elektrische Kontaktflächen oder spätere Montage- oder Klebeflächen. Für diese Bereiche ist es notwendig, im Vorfeld ein wirtschaftliches Maskierkonzept zu entwickeln, das auch für Großserien geeignet ist.

Hier können Abklebungen ebenso wie Silikonabdeckungen zum Einsatz kommen, allerdings unter den erhöhten Anforderungen der Beschichtung und den mitunter veränderten Ofenführungsregimen. Auch die Gratbildung an den Maskierungen ist aufgrund der teilweisen sehr hohen Schichtdicke der Isolationsbeschichtung im Vergleich zu klassischen Korrosionsschutzbeschichtungen deutlich ausgeprägter und erfordert gegebenenfalls eine Nachbearbeitung.

Erfolgreiche Großserienbeschichtung
Dass diese Herausforderungen gemeistert werden können, zeigt BENSELER in der täglichen Praxis der Großserien-Isolationsbeschichtung, sowohl im Automotive-Bereich als auch im Energiesektor. So beschichtet BENSELER unter anderem Gehäuseabdeckungen von Batteriesteuerungen für E-Autos mit durchschnittlichen Stückzahlen im hohen 6-stelligen Bereich pro Jahr. Schichtstärken von bis zu 250 µm garantieren dabei eine hohe Durchschlagfestigkeit bei Spannungen von 1.500 Volt und deutlich darüber hinaus.
Im Bereich der Bauteile für Stationärspeicher erreicht BENSELER im 2-Schicht-Pulver-Verfahren Schichtstärken von 300-500 µm und damit einen Schutz vor Spannungsüberschlägen über 7.500 Volt. Die isolationsbeschichteten Aluminium-Anbauteile in Batterie-Racks verhindern Spannungsüberschläge zwischen benachbarten Batteriepacks. Eine lückenlose Prüfung und nachverfolgbare Dokumentation aller beschichteten Teile ist dabei obligatorisch.

Steigende Anforderungen: Isolation und Korrosionsschutz verbinden
Die Nachfrage nach passenden Lösungen ist groß: Isolationsbeschichtungen gewinnen zunehmend an Bedeutung, und die Anforderungen sowie die notwendigen Schichtdicken wachsen ebenso schnell wie die Spannungsniveaus in den Systemen. Der erfahrene Umgang mit höheren Schichtdicken ist deshalb essenziell.

In laufenden Projekten beweist BENSELER, dass eine wirtschaftliche und sichere Isolation metallischer Bauteile in der Großserie mit adaptierten Beschichtungslösungen möglich ist. Voraussetzung dafür sind eine vorausschauende Planung und enge Abstimmung mit Lackherstellern und Kunden, denn die Verfahren und Prozesse müssen individuell auf die jeweiligen Anforderungen der Bauteile abgestimmt sein. Auf der Grundlage der von den Kunden geforderten Isolationswerte und der Definition, welche Stellen eines Bauteils beschichtet werden, welche als Übergangsbereiche gelten und welche unbeschichtet bleiben müssen, entwickeln die Oberflächenexperten im Hinblick auf das Preis-Leistungsverhältnis ausgewogene Beschichtungslösungen entlang der gesamten Prozesskette: von der Vorbehandlung, über die Grundierung bis hin zur Isolationsbeschichtung.

Gleichzeitig gelten weiterhin die hohen Anforderungen an den Korrosionsschutz. Fahrzeuge, aber auch stationäre Batteriespeicher, sind über Jahrzehnte Wind und Wetter ausgesetzt. BENSELER kombiniert daher die Isolationsbeschichtung u.a. mit einer vorherigen Kathodischen Tauchlackierung (KTL) oder WBK-Vorbehandlung (Waschen, Beizen, Konservieren). Auf diese Weise werden nicht nur die Anforderungen an die Isolation erfüllt, sondern auch an den gewünschten Korrosionsschutz – bis hin zu schwerem Korrosionsschutz, beispielsweise in Verbindung mit einer Dickschicht-KTL.

Nächster Schritt: Brandschutz – Absicherung des Worst Case
Die Entwicklung geht jedoch weiter: Neben dem Schutz vor Spannungsüberschlägen und Korrosion widmen sich die Spezialisten bei BENSELER bereits der Frage, wie sich die Sicherheit der Systeme auch in einem Worst-Case-Szenario weiter erhöhen lässt. Hier bieten insbesondere Kombinationen aus Pulverbeschichtung und Nasslackierung vielversprechende Ansätze, um steigende Brandschutzanforderungen zu erfüllen und zusätzliche sicherheitstechnische Funktionen zu integrieren. Der Ansatz ist bewusst technologieoffen gedacht: Auch Verfahren wie die Zinklamellenbeschichtung können in entsprechende Konzepte eingebunden werden. In diesem Bereich verfügt BENSELER über eine besonders starke Marktposition und zählt zu den führenden Anbietern in Deutschland.

Autor:
Björn Dehne, Vertriebsleiter BENSELER Beschichtungen Sachsen GmbH & Co. KG