Edelstahl Edelstahl Rostfrei punktet im E-Auto

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Die Zukunft der Mobilität wird elektrisch. Konventionelle Verbrennermotoren werden zunehmend durch Antriebe ersetzt, die auf alternativen Energieträgern basieren. Eine Schlüsselrolle bei diesen elektrischen Antriebssystem übernimmt der Werkstoff Edelstahl Rostfrei.

E-Mobility nimmt rasant Fahrt auf. Weltweit wurden laut Statista 6,7 Millionen Elektroautos 2021 verkauft. Auf Deutschland entfielen davon 356.000 reine Elektroantriebe, ein Plus gegenüber dem Vorjahr von 83,3 Prozent. Hinzu kamen laut Kraftfahrt-Bundesamt 325.449 Plug-in-Hybride, was einer Steigerung um 62,3 Prozent gegenüber dem Jahr 2020 entspricht. Ob batterie- oder brennstoffzellenelektrisch, als Mild-, Full- oder Plug-in-Hybrid – der elektrifizierte Antriebsstrang kann dabei helfen, die Themen CO2-Neutralität mit steigenden Mobilitätsanforderungen in Einklang zu bringen. Dabei übernimmt Edelstahl Rostfrei eine Schlüsselrolle.

Austenitischer Edelstahl in Batteriegehäusen

Die derzeit vorherrschende Batterietechnologie bei Elektrofahrzeugen ist die Lithium-Ionen-Batterie (LIB). An sogenannten Post-Lithium-Batterie-Technologien, die ohne seltene oder umweltgefährdende Rohstoffe auskommen und nicht entflammbar sind, wird jedoch bereits intensiv geforscht. So erzielen Lithium-Ionen-Batterien auf Elektrolytbasis Reichweiten, die mit jenen von konventionellen Motoren vergleichbar sind. Das Batteriemodul besteht aus Batteriezellen, die zu einer Leistungseinheit zusammengeschaltet und von einem Modulgehäuse umschlossen werden. Neben Aluminiumlegierungen wird für die Batteriegehäuse vor allem austenitischer Edelstahl eingesetzt, der per Laser riss- und verzugsfrei geschweißt wird. Der unmagnetischen, nichtrostenden Stahl besitzt im Vergleich zu üblichen Aluminiumlegierungen:

• hohe Crash-Resistenz

• höhere Hitzebeständigkeit im Brandfall

• Gewichtsersparnis

Voll austenitischer Edelstahl widersteht dauerhaft Temperaturen von bis zu 300 Grad Celsius und übersteht sogar mehr als zehn Minuten lang Temperaturen von bis zu 1300 Grad Celsius mit nur geringer Verformung.

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Richtiges Thermomanagement für Lithium-Ionen-Batterien

Ihre optimale Leistung und Lebensdauer entfalten Lithium-Ionen-Batterien bei Temperaturen von etwa 20 Grad Celsius. Abweichungen nach oben oder unten lassen diese beiden erfolgskritischen Parameter um bis zu 50 Prozent sinken. Deshalb muss eine Lithium-Ionen-Batterie im Winter aktiv beheizt und im Sommer gekühlt werden. Mit verschiedenen Gehäusekonstruktionen beantworten die Automobilzulieferer diese Herausforderung im Thermomanagement. Die meisten Batteriewannen werden aus einzelnen Alu-Extrusionsprofilen aufwendig zusammengeschweißt. Bei einem Unfall dürfen die Hochvoltbatterien keinesfalls mit anderen Medien in Kontakt. Würde beispielsweise Wasser eintreten, droht nicht nur ein Kurzschluss. Schlimmstenfalls brennt das ganze Auto ab. Die Benteler Automobiltechnik GmbH hat ein Batteriegehäuse entwickelt, das wie eine Faltwanne konstruiert ist. Sie gewährleistet damit die geforderte Crashsicherheit und Dichtigkeit. Gefertigt wird es aus Edelstahlblech, das anwendungsspezifisch in Form gebogen und an allen Kanten und Ecken mit einem Industrielaser absolut dicht verschweißt wird.

Doppelwandige vakuumdichte Hülle aus austenitischem Edelstahl

Bewährte Heizlösung für Elektro- und Hybridfahrzeuge sind sogenannte Hochvolt-Kühlmittelzuheizer (HVCH), die in den Kühl-Heiz-Kreislauf integriert und von einer Pumpe angetrieben werden. Sie sorgen für eine gleichmäßige Wärmeverteilung im Akkupaket und – unabhängig von der Außentemperatur – für ein angenehmes Klima in der Fahrgastzelle. Die dafür benötigten Heizelemente sind auf einer Trägerplatte aus Edelstahlsubstrat befestigt.

Ein sogenanntes multifunktionales Batteriegehäuse braucht es durch eine gestützte Vakuum-Isolierung keine aktive Heizung und Kühlung der Batterie. Basis ist hier eine doppelwandige vakuumdichte Hülle aus austenitischem Edelstahl der Güte 1.4301. Je nach Anforderung wird die rippenfreie, hochfeste und biegesteife Konstruktion aus Edelstahlblechen mit einer Wandstärke von fünf bis 15 Millimetern gefertigt und bietet so die Voraussetzung für eine hochbelastbare Leichtbaustruktur. Als crashsichere Kapselung schützt sie die Batterie bei einem Unfall oder im Brandfall gegen äußere Einwirkungen und verhindert zugleich das Austreten von umweltgefährdenden Stoffen. In die Gehäusestruktur integriert sind – getrennt von den Batteriezellen – Kühlelemente und Wärmespeicher. Damit regelt ein mehrstufiges Thermomanagement adaptiv Wärmedämmung, -speicherung und aktive Kühlung.

Präzisionsbandstähle für Bipolarplatten

Nichtrostende Stähle übernehmen in Fahrzeugen mit brennstoffzellenelektrischem Antrieb auch integrale Aufgaben. Drucksensoren aus speziell gewähltem Edelstahl kontrollieren den Druck in den Wasserstofftanks. Durch eine chemische Reaktion entsteht aus Wasserstoff und Sauerstoff über die sogenannte Proton-Exchange-Membran (PEM) elektrische Energie. Kernelement einer solchen PEM-Brennstoffzelle ist ein Stack – ein Stapel aus über 400 Brennstoffzellen, die jeweils beidseitig mit einer Bipolarplatte abgedeckt werden. Jede dieser dafür erforderlichen 800 Bipolarplatten besteht aus Edelstahl-Halbschalen, in die feinste Kanäle eingeprägt sind. Diese miteinander verschweißten Halbschalen aus nichtrostendem Stahl umschließen die Membran.

Um möglichst geringen Bauraum zu beanspruchen, werden die Bipolarplatten aus extrem dünnen rostfreien Präzisionsbandstählen mit Dicken im Bereich von 75 bis 100 Mikrometern gefertigt – das entspricht der Stärke eines menschlichen Haares. Um die elektrische Leistung zu stärken werden die Stähle von den Plattenherstellern mit einer Beschichtung versehen, die eine hoch präzise eingestellte Oberflächenrauheit erfordert. Bewährte Güten von rostfreien Präzisionsbandstählen für Bipolarplatten sind die Werkstoffe 1.4301, 1.4303, 1.4404 sowie 1.4016.

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Noch gelten Batterien als ökologische Achillesferse der Elektrofahrzeuge. Intensiv widmet sich die Forschung deshalb auch alternativen Zusammensetzungen und der Recyclingfähigkeit der eingesetzten Stoffe. Edelstahl Rostfrei ist ohne Qualitätseinbußen zu nahezu hundert Prozent recyclebar. Zusammen mit seiner werkstoffbedingten Überlegenheit in elektrischen Antriebssystemen gilt er deshalb als Werkstoff der Wahl für die Mobilität der Zukunft.

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