Mit der rasanten Entwicklung von Elektrofahrzeugen und großskaligen Energiespeichersystemen ist das Batteriethermomanagement zu einem entscheidenden Faktor für Sicherheit und Lebensdauer geworden. Als zentrale Komponente von Wärmeleitmaterialien (Thermal Interface Materials, TIM) ist Silikonöl keineswegs ein beliebig wählbarer Zusatzstoff. Die richtige Viskosität hat einen direkten Einfluss auf den thermischen Widerstand und die Langzeitzuverlässigkeit von wärmeleitenden Silikonfetten.

Thermisch leitfähige Silikonfette bestehen aus hochleitfähigen Füllstoffen wie Aluminiumoxid oder Bornitrid sowie einem Basis-Silikonöl. Die Funktion des Silikonöls beschränkt sich dabei nicht nur auf die Benetzung der Füllstoffe und eine gute Verarbeitbarkeit. Entscheidend ist vielmehr, dass zwischen Chip bzw. Batteriezelle und Kühlplatte ein Wärmeleitpfad mit geringer Porosität und hoher Packungsdichte entsteht. Dabei gilt jedoch: Niedrigere Viskosität ist nicht automatisch besser. Silikonöle mit sehr niedriger Viskosität (z. B. < 50 cSt) neigen bei hohen Temperaturen zur Migration oder zum Ausschwitzen, was den sogenannten „Dry-Out-Effekt“ verursacht. Sehr hochviskose Silikonöle (> 10.000 cSt) hingegen besitzen eine schlechte Fließfähigkeit, lassen sich unter Montagepressdruck nur ungleichmäßig verteilen und schließen Luftblasen ein, was den thermischen Widerstand erhöht.

Aktuelle Messergebnisse zeigen: Bei identischem Füllstoffsystem (65 Vol.-% Bornitrid) erreicht ein mit 1000 cSt Silikonöl formuliertes Wärmeleitfett einen stabilen thermischen Widerstand von lediglich 0,18 °C·cm²/W. Ein System auf Basis von 50 cSt Silikonöl zeigt aufgrund von Ölabscheidung bei hohen Temperaturen nach 72 Stunden Alterung einen Anstieg des thermischen Widerstands auf 0,32 °C·cm²/W. Ein mit 20.000 cSt Silikonöl formuliertes Produkt weist bereits initial einen thermischen Widerstand von 0,25 °C·cm²/W auf und ist zudem schwer gleichmäßig aufzutragen.

„Batteriepacks für neue Energiefahrzeuge sind äußerst kompakt aufgebaut und weisen eine hohe Wärmestromdichte auf. Die Anforderungen an Konsistenz und Dauerhaltbarkeit von TIMs liegen deutlich über denen der Unterhaltungselektronik“, erklärt ein Thermomanagement-Ingenieur eines führenden Batterieherstellers. „Wir haben die Viskosität des Silikonöls bereits als verbindliches Kriterium in unsere Lieferantenzulassung aufgenommen und bevorzugen in der Regel den Bereich von 500–2000 cSt.“

Derzeit arbeiten mehrere chinesische Silikonölhersteller gemeinsam mit Produzenten von Wärmeleitmaterialien an der Entwicklung von „batteriespezifischen“ Silikonölen. Durch eine enge Kontrolle der Molekulargewichtsverteilung und ein Design mit geringer Flüchtigkeit wird die Hochtemperaturstabilität deutlich verbessert. Einige dieser Produkte haben bereits Kälte-Wärme-Schocktests von –40 °C bis 150 °C über 1000 Zyklen ohne erkennbare Phasentrennung bestanden.

Mit der zunehmenden Verbreitung von 800-V-Hochvoltplattformen und flüssigkeitsgekühlten Energiespeichersystemen entwickeln sich Wärmeleitmaterialien von einer unterstützenden Komponente zu einer echten Sicherheitsbarriere. Branchenexperten betonen: Bei der Auswahl sollte nicht allein der Wärmeleitkoeffizient betrachtet werden, sondern ebenso die rheologischen Eigenschaften des Basis-Silikonöls und dessen Langzeitverhalten im Einsatz – denn jedes Grad Celsius Temperaturabsenkung definiert die Sicherheitsgrenze der Batterie neu.