Celleformater

Battericeller til elbiler fremstilles hovedsageligt i cylindriske, prismatiske og pouch-formater. Formatet angiver ikke cellekemien og afgør ikke kvaliteten, men det ændrer, hvordan elektroderne samles, og hvordan cellen skal køles, understøttes, forbindes og indbygges.

Format, størrelse og intern konstruktion

Tre forskellige valg blandes ofte sammen i diskussioner om batterier:

Cellekemi beskriver de elektrokemiske materialer, eksempelvis NMC, NCA, LFP, LMFP eller natrium-ion.
Celleformat beskriver den fysiske kapsling: cylindrisk, prismatisk eller pouch.
Pakkearkitektur beskriver, hvordan cellerne forbindes, køles, fastholdes, beskyttes og integreres i bilen.

Disse valg påvirker hinanden, men ingen af dem dikterer de andre. En prismatisk celle kan bruge LFP- eller NMC-kemi. Cylindriske celler kan monteres i moduler eller direkte i en cell-to-pack-struktur. Pouch-celler kan placeres i traditionelle moduler eller i større, integrerede cellegrupper.

Det amerikanske energiministerium betegner cylindriske, prismatiske og pouch-celler som de primære former for lithium-ion-celler og bemærker, at deres kapslinger og interne elektrode-separator-strukturer giver forskellige egenskaber ved fremstilling og adskillelse. (US Department of Energy)

Oprullede elektroder

En elektrodesamling indeholder skiftende lag af positiv elektrode, separator og negativ elektrode.

I en oprullet celle rulles lange elektrode- og separatorbaner til en spiral, der almindeligvis kaldes en jelly roll. Cylindriske celler bruger en rund jelly roll. En prismatisk celle kan bruge en fladtrykt rulle, som passer i en rektangulær dåse.

Oprulning er velegnet til kontinuerlig højhastighedsproduktion, fordi producenterne kan bearbejde lange ruller med belagt elektrodemateriale. Justeringen skal stadig styres præcist: Beskadiget separatormateriale, folder eller forkert placerede elektrodekanter kan skabe interne fejl.

En fladtrykt jelly roll udfylder ikke en rektangulær kapsling perfekt. De buede ender udsættes desuden for andre trykforhold, strømbaner og mekaniske bevægelser end de brede, lige sektioner.

Stablede elektroder

I en stablet celle placeres individuelle elektrodeark eller laminerede elektrodeenheder i skiftende lag med separatormateriale imellem.

En anden metode er Z-stabling, hvor en sammenhængende separator foldes frem og tilbage, mens ark med positive og negative elektroder indsættes mellem folderne. Den rektangulære stak kan udnytte pladsen i en prismatisk kapsling eller pouch effektivt, fordi den ikke har buede elektrodeender.

Stabling kræver præcis skæring, placering, inspektion og håndtering af mange lag. Samsung SDI's produktionsvejledning beskriver oprulning som den normale proces til virksomhedens cylindriske celler og Z-stabling som processen til dens prismatiske celler. (Samsung SDI)

Det udvendige format afslører ikke, hvilken intern proces der er brugt. Prismatiske celler og pouch-celler kan være oprullede, stablede, foldede eller samlet ved hjælp af en leverandørspecifik kombination af disse metoder.

Kapslingen er en aktiv del af konstruktionen

En cellekapsling gør mere end at holde elektrolytten inde. Afhængigt af formatet kan den:

Opretholde mekanisk tryk på elektrodesamlingen
Lede varme mod en køleflade
Beskytte separatoren og elektrodekanterne mod slag
Føre ét elektrisk potentiale som en del af terminalkonstruktionen
Sørge for en kontrolleret udluftningsvej
Modstå indtrængende fugt og udslip af elektrolyt
Overføre belastninger til det omgivende modul eller batteripakken

Stive cylindriske og prismatiske dåser yder selv betydelig understøtning. En fleksibel pouch er langt mere afhængig af den omgivende struktur.

Cellestørrelsen er lige så vigtig som celleformen

To celler med samme format kan være meget forskellige med hensyn til kapacitet, energi, effekt, varmeudvikling og mekanisk adfærd.

Brug af mange små celler giver:

Mindre energi i hver enkelt celle
Større udvendigt overfladeareal i forhold til den lagrede energi
Flere parallelle elektriske strømbaner
Flere gentagne komponenter, svejsninger og mulige fejlpunkter

Brug af færre store celler giver:

Færre terminaler, forbindelser, svejsninger og overvågningspunkter
Mindre gentaget cellekapslingsmateriale ved en given pakkekapacitet
Mere lagret energi i hver celle
Længere interne veje for elektroner, ioner og varme
Større konsekvenser, hvis én celle udvikler en alvorlig fejl

Cellestørrelse er derfor et kontinuum og ikke en særskilt formatkategori.

Cylindriske celler

En cylindrisk celle placerer en oprullet elektrode inde i en stiv, rund metaldåse. Den cirkulære væg understøtter jelly roll'en ensartet og modstår internt tryk uden behov for store, flade paneler.

Cylindriske celler nyder godt af de stærkt automatiserede produktionsmetoder, der er udviklet til forbrugerprodukter, industrielle anvendelser og biler. Den regelmæssige form er let at håndtere, dreje, inspicere og transportere gennem produktionsudstyr.

Runde celler efterlader mellemrum, når de placeres i en rektangulær pakke. Mellemrummene reducerer den teoretiske pakningseffektivitet, men er ikke altid spildplads. Konstruktørerne kan bruge dem til:

Kølemiddelkanaler
Elektrisk isolering
Strukturel lim eller skum
Celleholdere
Plads til udvidelse
Barrierer, der skal bremse termisk spredning

Resultatet på pakkeniveau afhænger af, hvor effektivt disse funktioner udnytter den tilgængelige plads.

Størrelsesbetegnelser for cylindriske celler

Betegnelserne for cylindriske celler beskriver normalt cellens omtrentlige diameter og højde i millimeter:

18650 eller 1865: cirka 18 mm i diameter og 65 mm høj
2170 eller 21700: cirka 21 mm i diameter og 70 mm høj
4680: cirka 46 mm i diameter og 80 mm høj
4695: cirka 46 mm i diameter og 95 mm høj
46120: cirka 46 mm i diameter og 120 mm høj

Navngivningen er ikke helt ensartet. Nogle producenter bruger fem cifre, mens andre udelader det sidste nul. Betegnelsen beskriver de nominelle ydre mål, ikke kemien, kapaciteten, terminalernes placering eller den interne konstruktion.

Et skift til en større cylinder reducerer det antal celler, der kræves til en given pakkekapacitet. Panasonic oplyser, at virksomhedens 4680-celle har cirka fem gange så stor kapacitet som dens 2170-celle. Det er primært en sammenligning af kapaciteten pr. celle: 4680-cellen er fysisk meget større, så det betyder ikke fem gange så høj energitæthed. (Panasonic Energy)

Større celler stiller deres egne tekniske krav. Varmen skal bevæge sig længere fra midten af jelly roll'en, strømmen skal opsamles over større elektroder, og hver celle indeholder mere energi. Produktionstolerancer, køling, udluftning og beskyttelse mod spredning bliver stadig vigtigere.

BMW's Gen6-system viser, hvordan celler med samme diameter kan tilpasses forskellige biler. BMW iX3 bruger celler med en diameter på 46 mm og en højde på 95 mm, mens BMW iX5 bruger celler med samme diameter og kemi, men med en højde på 120 mm. BMW oplyser, at den højere celle lagrer næsten 30% mere brugbar energi pr. celle. Forøgelsen skyldes den større cellevolumen og er ikke en forøgelse af energitætheden på 30%. (BMW Group)

Faner og strømopsamling

De belagte elektrodefolier inde i en cylindrisk celle skal forbindes til de udvendige terminaler.

En traditionel konstruktion bruger en eller flere separate metalfaner, der er svejset til de positive og negative strømkollektorer. Elektroner fra fjerne dele af elektroden skal bevæge sig langs den tynde folie, før de når en fane. Denne vej skaber modstand og kan give ujævn fordeling af strøm og temperatur.

Moderne, store cylindriske celler kan bruge:

Flere faner fordelt langs elektroden
Mange små fanesektioner
En sammenhængende kantforbindelse rundt om en stor del af jelly roll'en
Forbindelser over hele fladen mellem kollektorens kant og terminalsamlingen

Betegnelsen tabless bruges ofte om konstruktioner med sammenhængende faner, men den elektriske forbindelse er ikke forsvundet. I stedet fungerer en bred del af strømkollektorens kant som forbindelse. Forskning i strømopsamling i cylindriske celler viser, at flere eller bedre fordelte faner kan reducere temperaturstigning og termiske gradienter. (Journal of Power Sources)

Fordelen afhænger af ensartet skæring, foldning, svejsning og elektrisk kontakt rundt om elektroderullen. En smart geometri, der er svær at fremstille ensartet, kan miste sin teoretiske fordel.

Køling af cylindriske celler

Varme kan forlade en cylindrisk celle gennem:

Den buede sidevæg
Bunden
Terminalenden
Varmeledende materiale mellem naboceller

Sidekøling giver et stort kontaktareal, men kræver kølestrukturer mellem cellerækkerne. Køling gennem bunden eller terminalen kan forenkle samlingen af batteripakken, selv om varmen derefter skal bevæge sig langs hele jelly roll'ens højde.

Elektroderullen er termisk anisotrop: Varme bevæger sig lettere i nogle retninger end i andre. Den bedste kølemetode afhænger derfor af cellens højde, diameter, fanekonstruktion, kemi, effektbehov og den temperaturforskel, batteripakken kan tolerere.

Fordele ved cylindriske celler

En stiv kapsling med effektiv modstandsdygtighed over for tryk
Modne, stærkt automatiserede produktionsprocesser
Ensartet geometri til håndtering og inspektion
Fleksibel pakkekapacitet ved hjælp af parallelle cellegrupper
Stort overfladeareal i forhold til energien, når der anvendes mindre celler
Etablerede størrelsesfamilier og produktionsudstyr

Begrænsninger ved cylindriske celler

Runde celler kan ikke udfylde et rektangulært rum fuldstændigt
Pakker med små celler kræver mange svejsninger og forbindelser
Store cylindere indeholder mere energi pr. mulig fejl
Batteripakken skal sikre ensartet køling af mange celler
Cellernes orientering og terminalernes placering begrænser pakkens udformning
Temperaturen i den indre kerne kan ikke bestemmes perfekt ud fra én udvendig måling

Prismatiske celler

En prismatisk celle bruger en stiv, rektangulær kapsling, som normalt er fremstillet af aluminium eller stål. Elektrodesamlingen kan være en fladtrykt oprullet elektrode eller en stak af individuelle lag.

Den rektangulære form kan udnytte bilens gulvareal effektivt og gør det muligt at bygge en pakke af relativt få store celler. Færre celler reducerer antallet af terminaler, samlinger mellem samleskinner, svejsninger og punkter til spændingsovervågning.

Brede celleflader kan placeres mod køleplader eller kompressionsstrukturer. Metaldåsen yder også beskyttelse mod slag og giver en defineret placering til terminaler, tætninger, en trykventil og i nogle tilfælde en mekanisme, der afbryder strømmen, eller en sikring.

De flade vægge kræver omhyggelig mekanisk styring. Elektrodematerialer ændrer dimensioner med ladetilstand, temperatur og alder, mens sidereaktioner kan danne gas. Batteripakken skal tillade normale bevægelser og samtidig forhindre for stor opsvulmning, tab af kølekontakt eller skadeligt lokalt tryk.

Store prismatiske celler kan også udvikle interne forskelle i temperatur og ladetilstand. Køling af én flade eller kun bunden sikrer ikke, at alle dele af elektrodestakken holder samme temperatur.

Standardiserede platforme og leverandørspecifikke celler

I modsætning til cylindriske celler følger prismatiske celler ikke ét udbredt sæt udvendige mål. Deres højde, bredde, tykkelse, terminalplacering, ventilkonstruktion og kapacitet tilpasses ofte en producent eller bilplatform.

Det kan forbedre integrationen, men reducerer udskifteligheden. To prismatiske celler med tilsvarende kemi og kapacitet passer måske ikke i samme batteripakke eller bruger de samme grænseflader til kompression, køling og elektriske forbindelser.

Volkswagen-koncernens Unified Cell, som er udviklet af PowerCo, er et eksempel på standardisering inden for én bilkoncern. Det er en prismatisk platform, der skal understøtte forskellige leverandører, biler og elektrodekemi. PowerCo begyndte produktionen med en NMC-version og oplyser, at LFP-varianter vil følge. (Volkswagen Group)

Unified Cell er ikke en ny kemi og gør ikke alle versioner elektrokemisk identiske. Elektrodematerialer, materialemængde, kapacitet, spændingsområde, ladeevne og termiske krav kan stadig variere inden for et fælles udvendigt koncept.

Lange prismatiske celler og bladformede celler

En bladformet celle er en lang, smal prismatisk celle. Den er ikke et fjerde grundlæggende format.

BYD's Blade Battery bruger lange, flade LFP-celler, der placeres direkte i et cellefelt uden traditionelle mellemliggende moduler.

BYD beskriver hver celle som en bidragyder til batteripakkens struktur. Den lange form lader en celle spænde over en stor del af kapslingen, reducerer antallet af gentagne elektriske forbindelser og giver brede flader til varmeoverførsel. (BYD)

Mange af de fordele, der tilskrives en bladformet celle, opstår i forholdet mellem dens dimensioner og den batteripakke, der bygges omkring den. En lang prismatisk celle giver ikke automatisk høj energitæthed på pakkeniveau, hurtig opladning eller gode egenskaber ved sammenstød.

Begrænsningerne skyldes også den tætte integration:

Cellens længde og batteripakkens bredde skal udvikles sammen
Kravene til justering og måltolerancer gælder over en lang komponent
Temperatur og tryk skal holdes under kontrol langs hele cellen
Én celle indeholder en betydelig mængde energi
Det kan være vanskeligt at udskifte en enkelt celle i en stærkt integreret struktur

Blade Battery-batteriets termiske adfærd afspejler også dets LFP-kemi, elektrodekonstruktion, ladetilstand og BYD's komplette pakkesystem. Celleformen bør ikke tilskrives egenskaber, der skyldes kemien.

Fordele ved prismatiske celler

Effektiv udnyttelse af rektangulær plads i batteripakken
Færre celler og elektriske forbindelser
Stiv kapsling og definerede komponenter til udluftning
Brede flader til køling og kompression
Dimensioner, der kan tilpasses en bilplatform
God kompatibilitet med pakkekoncepter uden moduler

Begrænsninger ved prismatiske celler

Store, flade overflader kræver kontrolleret udvidelse og kompression
Der kan udvikles interne temperaturgradienter på tværs af en stor celle
Hver celle indeholder en betydelig mængde energi
Dimensioner og grænseflader er ofte leverandørspecifikke
En celle, der er udviklet omkring én platform, kan være vanskelig at genbruge andre steder
Store celler gør batteripakken mere følsom over for ensartetheden af hver enkelt celle

Pouch-celler

En pouch-celle bruger en fleksibel, lamineret kapsling i stedet for en stiv metaldåse. Filmen kombinerer normalt et barrierelag af aluminium med polymerlag, der giver elektrisk isolering, mekanisk beskyttelse og varmeforseglelige overflader.

Pouch'en indeholder en oprullet, stablet, lamineret eller foldet elektrodesamling. Store pouch-celler til biler bruger ofte stablede konstruktioner, fordi rektangulære lag kan udnytte kapslingen effektivt.

Under LG Energy Solutions samlingsproces for pouch-celler stables laminerede elektrodeenheder, elektriske forbindelser svejses til stakken, og stakken indsættes i en formet pouch. Elektrolyt tilsættes gennem en midlertidig gaslomme. Gas, der dannes under de første formateringscyklusser, fjernes senere, før pouch'en får sin endelige forsegling. (LG Energy Solution)

Den laminerede kapsling tilfører kun lidt vægt til cellehuset, men fastholder ikke elektroderne som en stiv dåse. En pouch-celle skal behandles som en del af et mekanisk system, der omfatter:

Kompressionsplader eller rammer
Eftergivelige puder, der optager udvidelse
Beskyttelse af cellekanter og tilslutningernes forseglinger
En kontrolleret køleflade
Barrierer mellem naboceller
Understøtning, der forhindrer bøjning under samling og kørsel

Pouch-celler ændrer normalt tykkelse en smule, når de gennemgår opladningscyklusser. Yderligere opsvulmning kan opstå, når cellen ældes, eller hvis sidereaktioner danner gas. Kompressionen skal være tilstrækkelig kraftig og ensartet til at opretholde kontakt, men ikke så høj eller ujævn, at den beskadiger elektrodestakken.

Køling af pouch-celler

De brede flader på en pouch-celle giver et stort potentielt køleareal. Køleplader kan være i kontakt med én eller begge flader, eller batteripakken kan fjerne varme gennem en kant eller elektrodefanerne.

God kontakt med fladen er afgørende. Hvis opsvulmning, variation i tolerancer eller utilstrækkelig kompression skaber et mellemrum, stiger den lokale termiske modstand. Puder og termiske grænsefladematerialer skal bevare kontakten og samtidig tillade normale dimensionsændringer.

Varme bevæger sig lettere langs metallet i elektrodefolierne end direkte gennem de mange lag af elektroder og separatorer. En overfladetemperatur kan derfor skjule et varmere indre område, især i en stor eller tyk celle.

Fordele ved pouch-celler

Lav vægt af kapslingen
Effektiv udnyttelse af cellens indvendige volumen
Fleksibel bredde, højde og tykkelse
Brede flader, der kan forbindes termisk med køleplader
Færre celler end i pakker, der bruger små cylindriske formater
Kompatibilitet med stablet elektrodekonstruktion

Begrænsninger ved pouch-celler

Batteripakken skal yde størstedelen af den mekaniske understøtning
Kompression og plads til udvidelse er afgørende
Laminerede kanter og tilslutningernes forseglinger kræver omhyggelig beskyttelse
Store, fleksible celler er krævende at håndtere og samle
Opsvulmning kan ændre kølekontakten og det mekaniske tryk
Rammer, puder og beskyttelse udligner en del af vægtbesparelsen på celleniveau

Sådan påvirker celleformatet konstruktionen af batteripakken

Celleformatet fungerer ikke isoleret. Dets værdi afhænger af, hvor godt pakkearkitekturen udnytter styrkerne og kompenserer for begrænsningerne.

Antal celler og elektriske forbindelser

En pakke med tusindvis af små cylindriske celler kræver mange svejsninger og parallelle strømbaner. En pakke med store prismatiske celler eller pouch-celler kræver langt færre forbindelser, men hver forbindelse fører mere strøm, og hver celle udgør en større del af pakkens kapacitet.

Færre celler kan forenkle overvågning og samling. Flere celler kan give mindre kapacitetstrin og flere parallelle baner. Ingen af strategierne garanterer driftssikkerhed: Produktionskvalitet, forbindelsernes konstruktion, fejlregistrering og elektrisk beskyttelse afgør resultatet.

Køleveje

Cylindriske celler har buede overflader og flere mulige køleretninger. Prismatiske celler og pouch-celler har brede, flade overflader, men kan udvikle temperaturgradienter gennem tykkelsen.

Kølesystemet skal passe til:

Hvor varmen dannes inde i cellen
Hvor let varmen bevæger sig gennem elektrodesamlingen
Afstanden fra det varmeste indre område til kølemidlet
Lade- og afladeeffekten
Den acceptable temperaturforskel mellem cellerne
Cellens udvidelse gennem hele dens levetid

Derfor kan det samme format fungere meget forskelligt i to biler.

Kompression og strukturel understøtning

Pouch-celler kræver ekstern kompression. Store prismatiske celler har også brug for kontrolleret fastholdelse, selv om deres dåser yder mere understøtning. Cylindriske dåser er mere selvbærende, men har stadig brug for præcis placering og beskyttelse mod vibrationer og slag.

Den omgivende struktur tilfører vægt og optager plads. Energitæthed på celleniveau bør derfor ikke forveksles med energitæthed på pakkeniveau.

Fejlenergi og spredning

En større celle indeholder mere energi, så en alvorlig fejl kan frigive mere varme og gas fra ét sted. En mindre celle indeholder mindre energi, men batteripakken har flere naboceller og flere mulige veje for spredning.

Formatet påvirker udluftningsretning, afstande, barrierer og varmeoverførsel, men kan ikke skabe sikkerhed alene. Kemi, ladetilstand, cellekvalitet, beskyttelsesanordninger, køling, kollisionsstruktur, gashåndtering og spredningstest har alle betydning.

Cell-to-pack er ikke et celleformat

Cell-to-pack betyder, at cellerne integreres i batteripakken uden traditionelle, selvstændige moduler. Cylindriske, prismatiske og pouch-celler kan alle bruges i konstruktioner uden moduler.

Fjernelse af modulhuse og dobbelt struktur kan forbedre plads- og vægteffektiviteten. Det overfører samtidig flere opgaver til batteripakkens kapsling, herunder:

Placering og fastholdelse af celler
Elektrisk isolering
Kølekontakt
Håndtering af kollisionsbelastninger
Håndtering af brand og gas
Styring af produktionstolerancer
Strategi for service og reparation

Resultatet afhænger af hele konstruktionen og ikke blot af at fjerne modulerne.

Fremstilling, reparation og genanvendelse

Standardiserede små celler kan forenkle celleproduktionen, men skabe en kompleks samling af batteripakken. Store platformspecifikke celler kan forenkle samlingen af pakken, men kræver dedikeret celleværktøj og håndteringsudstyr.

Stærkt integrerede pakker kan reducere antallet af dele og vægten, men lim, strukturskum, lange celler og direkte cell-to-pack-montering kan gøre diagnosticering, adskillelse og udskiftning af enkelte celler vanskeligere.

Genanvendelsesprocesser møder også forskellige kapslinger, klæbemidler, kølematerialer og demonteringsmetoder. Det amerikanske energiministerium bemærker, at cellekapslingen og elektrodesamlingen påvirker, hvor let cellerne kan åbnes og bearbejdes. (US Department of Energy)

Hvad betyder celleformatet for en køber af en elbil?

Celleformatet er nyttigt til at forstå tekniske beslutninger, men er ikke en kvalitetsrangering.

En bil vil ikke automatisk:

Lade hurtigere, fordi den bruger cylindriske celler
Køre længere, fordi den bruger pouch-celler
Holde længere, fordi den bruger prismatiske celler
Modstå termisk spredning, fordi den bruger bladformede celler
Have høj energitæthed på pakkeniveau, fordi den bruger cell-to-pack-konstruktion

For en bestemt elbil er følgende spørgsmål mere nyttige:

Hvad er batteriets brutto- og brugbare kapacitet?
Hvor effektiv er bilen?
Hvordan ser ladekurven ud?
Kan batteriet temperaturforberedes før lynladning?
Hvordan ændres opladningen under kolde eller varme forhold?
Hvordan køler og opvarmer det termiske styringssystem cellerne?
Hvilke vilkår gælder for degradering og garanti?
Hvordan har producenten testet spredning mellem cellerne?
Kan moduler eller enkelte cellegrupper diagnosticeres og udskiftes?
Kræver en reparation af batteripakken, at hele batteriet udskiftes?

Formatet hjælper med at forklare, hvorfor en producent har valgt en bestemt strategi for køling, konstruktion, produktion eller service. Den færdige bil afgør, om strategien fungerer godt.

Se Cellekemi og komponenter for materialerne i hvert format. De elektriske forbindelser og det strukturelle hierarki beskrives i Batteripakke og konfiguration, mens kølesystemerne forklares i Termisk styring af batteriet.