Was sind die Vor- und Nachteile verschiedener Zellformate?

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. 

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