Diese Zellformate setzen sich für Lithium-Ionen-Akkus durch

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Der Markt für Lithium-Ionen-Batterien (LIB) wächst mit der Anzahl der verkauften Elektrofahrzeugen: Mit den bis Ende 2017 über drei Millionen weltweit verkauften Elektroautos (batterieelektrische – BEV und Plug-in-Hybride – PHEV) wurden bislang über 80 GWh an Zellkapazität in Elektroautos verbaut. Das geht aus einer Studie zum Thema Lithium-Ionen-Batterie-Zellformate der Fraunhofer-Allianz Batterie hervor. Demnach seien allein 2017 bereits über 30 GWh nur für das Pkw-Segment nachgefragt worden, was der globalen LIB-Nachfrage noch vor fünf Jahren entspreche. In den kommenden zehn Jahren soll sich die Nachfrage auf mehrere hundert GWh bis in den TWh-Bereich entwickeln. Entsprechend werden global Zellproduktionskapazitäten bis in diese Größenordnung aufgebaut. 

Im Bereich der Elektromobilität wird derzeit eine Vielzahl von Zellformaten verwendet. So sind nach Angabe der Fraunhofer-Forscher in den bis Ende 2016 über zwei Millionen und bis Ende 2017 über drei Millionen weltweit verkauften Elektro-Pkw Lithium-Ionen-Batterien mit einer Gesamtkapazität von 50 GWh (bis 2016) beziehungsweise über 80 GWh (bis 2017) verbaut, mit heute noch ähnlichen Anteilen der drei Zellformate: zylindrisch, prismatisch und Pouch. Vor dem Hintergrund einer zukünftigen Standardisierung steht die Frage nach einem, optimalen Zellformat immer wieder zur Diskussion. Eine Aussage über die Entwicklungspotenziale der unterschiedlichen Zellformate ist laut den Forschern aufgrund der damit verbundenen Komplexität jedoch nur schwer zu treffen.

Die Form bestimmt die Kraft

Bislang hat sich noch kein dominantes Zellformat durchgesetzt, wie Daimler im Artikel Herausforderungen in der Batterieentwicklung – Grundlagen und Vorschläge zur Kostenoptimierung aus der ATZelektronik 6/2017 erklärt. So produziert etwa Samsung seine Zellen insbesondere in prismatischer Form, während LG diese noch vornehmlich als Pouch fertigt. Panasonic stellt seine Zellen hingegen in zylindrischer 18650er-Form her und wird in der "Gigafactory" künftig im 21700er Format produzieren. "Dabei hängen angesichts der sich abzeichnenden Skaleneffekte künftige FuE-Investitionen, strategische Entscheidungen und schließlich Geschäftsmodelle von Zulieferern der Automobilindustrie und weiterer Systemintegratoren eng mit der Standardisierung und Etablierung der Zellformate zusammen", erklären die Forscher der Fraunhofer-Allianz Batterie.

Die Fraunhofer-Allianz Batterie hat die Lithium-Ionen-Batterie-Zellformate aus einer ganzheitlichen Perspektive heraus untersucht. In einer aktuellen Studie analysieren und bewerten die Fraunhofer-Forscher fünf ausgewählte Zellgeometrien bis zum Jahr 2025. Bei den untersuchten Zellformaten handelt es sich um die zwei zylindrischen 18650er- und 21700er-Formate, die zwei prismatischen Formate der PHEV2- und BEV2-Zelle sowie um ein Pouch-Format entsprechend VDA-Vornorm DIN Spec 91252. 

Traditionell werden in der Batterieherstellung als Hülle starre Metallgehäuse aus Stahl oder Aluminium verwendet – mit einem runden Querschnitt bei einer zylindrischen (einer Rund-) Zelle und einem eckigen Querschnitt bei einer prismatischen Zelle. Allerdings besteht auch die Möglichkeit, die elektrochemisch aktiven Schichten in eine flexible kunststoffbeschichtete Aluminiumfolie zu verpacken; diese Bauform wird 'Pouch Cell', 'Coffee Bag' oder 'Soft Pack' genannt", wie Peter Birke im Artikel Lithium-Ionen-Akkumulatoren – Diskussion der verschiedenen Zellformate aus der ATZelektronik 6/2014 erklärt.

Mit der Auswahl eines Zellformats sind mehrere für OEM relevante Aspekte verbunden, wie etwa "die erreichbare Energiedichte, die geometrischen Abmessungen und damit Integrationsmöglichkeiten der Zellen in Module, die Wärmeentwicklung der Zellen und der Bedarf eines Thermomanagements, die Sicherheit der Zellen, Module und des Gesamtsystems, sowie die Kosten der Zell- und Modulherstellung", so die Fraunhofer-Forscher. Insbesondere die volumetrische Energiedichte hänge von der Bauform der Einzelzelle ab, erklärt Springer-Autor Hannes Hopp im Kapitel Stand der Technik und Grundlagen von Lithium-Ionen-Batterien aus dem Buch Thermomanagement von Hochleistungsfahrzeug-Traktionsbatterien anhand gekoppelter Simulationsmodelle. 

Langfristig machen großformatige LIB-Zellen das Rennen

Um die Entwicklungspotentiale von Zellformaten aufzuzeigen, haben die Fraunhofer-Forscher einen Bottum-up-Ansatz von der Batteriezelle über die Fertigung bis hin zum Batteriemodul verfolgt. Unter den getroffenen Prämissen würden die Einzelergebnisse der Studie hinsichtlich der volumetrischen Energiedichte auf die besonders hohen Potenziale der zylindrischen Formate (18650 und 21700) sowie des Pouch-Formats hinweisen. Langfristig sollen sich mit größeren zylindrischen sowie mit Pouch-Zellen die höchsten Energiedichten ergeben. Auf Modulebene hielten die zylindrischen und Pouch-Zellen zwar diesen Vorteil, bezüglich der Kühlung der Zellformate besitze jedoch das prismatische Zellformat vergleichsweise sehr gute Eigenschaften, was sich für das Gesamtsystem vorteilhaft auswirke. Auch schneide das prismatische Format in Punkto Sicherheit am besten ab, liege jedoch bezüglich der Kosten hinter dem Pouch- und dem 21700er-Zellformat. Die Gesamtkosten der Zellformate je kWh auf Modulebene zeigten, dass das 21700er-Zellformat durch Skaleneffekte kurzfristig wettbewerbsfähig werde, sich langfristig aber die Kosten aller Zellformate annähern werden.

Mittelfristig biete sich das 21700er-Format somit zwar als eine gute Alternative an und ersetze das 18650er Format. Mit Blick auf die sich rasant entwickelnden Elektroauto-Modelle (bis 2020 wird sich das Angebot auf über 600 Modelle verdoppeln), welche vornehmlich auf Pouch- und prismatische Zellen setzen, zeige sich aber, dass bestehende Nachteile dieser Formate in den kommenden Jahren ausgeglichen werden und sich großformatige, also energiereiche, LIB-Zellen langfristig in Elektro-Pkw durchsetzen dürften. 

Allerdings gibt die Fraunhofer-Allianz Batterie zu bedenken, dass die Ergebnisse der Studie keinen allgemeingültigen Charakter hätten, da sie in starkem Maße von den getroffenen Annahmen und individuellen Anforderungen beziehungsweise einer konkreten anwendungsspezifischen Auslegung in einem Elektrofahrzeug abhingen. Jedoch könne die multikriterielle Analyse- und Bewertungstool dabei helfen, die anwendungsspezifisch optimalen Zellformate zu identifizieren.