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28.04.2021 | Batterie | Kompakt erklärt | Onlineartikel

Was sind die Vor- und Nachteile verschiedener Zellformate?

Autor:
Christiane Köllner
3:30 Min. Lesedauer

Die Frage nach dem optimalen Batteriezellformat ist immer wieder in der Diskussion. Zylindrisch, prismatisch oder Pouch? Die Zellformate im Vergleich.

Die Batteriezellen übernehmen die zentrale Aufgabe der Batterie – die Speicherung und Freisetzung von Energie. Die Mehrheit der Batteriezellen ist in drei verschiedenen Formaten erhältlich – zylindrisch, prismatisch und das dünne Pouchformat. Die Frage nach dem optimalen Zellenformat für Automobilanwendungen steht immer wieder zur Diskussion. Denn die "Wahl des Zellenformats hat weitreichende Konsequenzen für das gesamte Layout der Batterie", wie Daimler im Artikel Herausforderungen in der Batterieentwicklung – Grundlagen und Vorschläge zur Kostenoptimierung aus der ATZelektronik 6/2017 erklärt. Sie beeinflusse die elektrischen Anschlüsse, die Kühlstrategie und das Sicherheitskonzept. Sie bestimme auch die mechanischen Anforderungen für die Batteriemodule als strukturelle Einheit in der Batterie. 

Empfehlung der Redaktion

01.11.2020 | Entwicklung | Ausgabe 11/2020

Von der Zelle zum Batteriesystem - Verschiedene Zellformate und ihre Systemintegration

APL begleitet den Batterieentwicklungsprozess von der Auswahl des Zellformats bis hin zur Integration in das Gesamtsystem. Das Unternehmen verfolgt einen ganzheitlichen Ansatz mit einer Kombination aus Batterieerprobungen, Laboranalysen und umfassenden Simulationen, der die zielgerichtete Optimierung im Spannungsfeld von Funktionalität, Sicherheit und Kosten ermöglicht.

Es handelt sich "um eine Optimierung in einem komplexen Lösungsraum aus elektrischen, thermischen und mechanischen Randbedingungen im Kontext des Gesamtsystems", fasst es APL im Artikel Von der Zelle zum Batteriesystem – Verschiedene Zellformate und ihre Systemintegration aus der MTZ 11-2020 zusammen. Gleichzeitig seien die notwendigen Sicherheitsanforderungen zu gewährleisten. APL verfolgt einen ganzheitlichen Ansatz mit einer Kombination aus Batterieerprobungen, Laboranalysen und umfassenden Simulationen, um ein abgestimmtes Batteriesystem zu entwickeln. 

Zylindrisch, prismatisch oder Pouch

Aufgrund der damit verbundenen Komplexität, ist eine Aussage über die Entwicklungspotenziale der unterschiedlichen Zellformate nur schwer zu treffen. "Es bedarf einer systemischen Sicht entlang aller Aspekte und Kriterien von der Zell- bis Modulebene und schließlich des individuellen Fahrzeugkonzepts", so die Fraunhofer-Allianz Batterien, die sich bereits 2017 in einer Studie mit der Frage beschäftigte, welche Zellformate sich durchsetzen werden. Generell lassen sich folgenden Eigenschaften für die unterschiedlichen Bauformen festhalten:

In Pouchzellen (auch Coffee Bag genannt) "werden mehrere rechteckige Lagen von negativen und positiven Elektroden und Ableitfolien mit entsprechenden Lagen von Separatoren wie in einem Sandwich gestapelt", so Springer-Autor Martin Doppelbauer im Kapitel Energiespeicher des Buchs Grundlagen der Elektromobilität. Dadurch steige bei gleichem Spannungsniveau die Kapazität beziehungsweise der Energieinhalt gegenüber Rundzellen. Die Elektroden werden meist zu einer Seite abgeführt. Die Abdichtung erfolge durch verschweißte Metallfolien. "Pouchzellen lassen sich gut kühlen und stapeln. Sie haben eine hohe volumetrische Energiedichte. Allerdings ist das Erreichen der Dichtigkeit durch die Folie etwas schwieriger. Die meisten Hersteller von Elektroautos setzen Pouchzellen ein", so Doppelbauer.

Prismatische Zellen sind wie Pouchzellen aufgebaut, erklärt Doppelbauer, nur dass das Gehäuse aus einem festen Material bestehe, meist aus Metall. Der Aufbau von Batteriepaketen werde damit einfacher, die Kühleigenschaften seien aber schlechter.

In klassischen Rundzellen (zylindrische Zellen) sind lange Streifen der einzelnen Materialien in einem zylindrischen Metallgehäuse aufgerollt. "Vorteilhaft von Rundzellen ist die automatisierte Fertigung, die auf der großen Produktionserfahrung mit Batterien für die Unterhaltungselektronik aufbaut, sowie die hohe Lebensdauererwartung", erklärt Autor Doppelbauer. Nachteilig sei die aufwendige Kühlung, speziell das Innere könne gar nicht gekühlt werden, und der Verlust an Bauraum durch die sich ergebenden Zwischenräume. Der US-amerikanische E-Autobauer Tesla setzt ausschließlich Rundzellen in seinen Fahrzeugen ein. Das hat einen Grund: "Die Batteriepacks von Tesla haben die höchste Energiedichte und damit das geringste Gewicht aller derzeit in elektrischen Fahrzeugen eingesetzten Akkus", so Doppelbauer.

Batteriezellformate im Vergleich


Kategorie

Pouch (Coffee Bag oder Soft Pack)

Zylindrisch/Rundzelle

Prismatisch

Volumetrische Energiedichte auf Zellebene

Aktuell höchste Energiedichte mit Rundzelle

Aktuell höchste Energiedichte mit Pouchzelle

Aktuell geringste Energiedichte der drei Zellformate

Volumetrische Energiedichte auf Modulebene

Hohe Energiedichte ähnlich Rundzelle

Hohe Energiedichte ähnlich Pouchzelle

Aktuell geringste Energiedichte der drei Zellformate

Lebensdauer

Gut

Gut

Gut

Einhausung

Weiche Hülle: Aluminiumverbundfolie

Harte Hülle: Überwiegend vernickelter Stahl

Harte Hülle: Überwiegend Aluminium

Abmessungen

  • Veränderliches Design
  • Effiziente Platzausnutzung
  • Hohe Packungsdichte
  • Flexibilität geringer zu der Pouchzelle
  • Ineffiziente Platzausnutzung
  • Niedrige Packungsdichte
  • viel Erfahrung im Zelldesign und Produktion
  • Flexibilität geringer zu der Pouch Zelle
  • Effizienter Einsatz der Installationen
  • Hohe Packungsdichte
  • einfacher Verbau

Festigkeit

  • Instabiles Gehäuse
  • Bläht sich bei Druckaufbau auf
  • Hohe Dichtheit
  • Hohe Steifigkeit
  • Mechanisch robust
  • Übersteht einen gewissen Innendruck ohne Deformation
  • Hohe Dichtheit
  • Hohe Steifigkeit
  • Geringere mechanische Stabilität als die Rundzelle

Thermische Regulierung

  • Gutes Oberflächen zu Volumenverhältnis
  • Effiziente Temperaturkontrolle
  • sehr gute Kühleigenschaften
  • Hochenergiezellen: geringe Wärmeabfuhr
  • Kühlung aufwendig
  • Viel Volumen im Vergleich zur Oberfläche
  • schlechte Kühleigenschaften
Quelle: Eigene Recherche und PEM der RWTH Aachen aus: Roadmap Batterie-Produktionsmittel 2030, VDMA Batterieproduktion, Update 2018, Seite 20

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