Batteriezellformate in Elektroautos: Rundzellen, prismatische Zellen und Pouch-Zellen

Batteriezellen für Elektroautos gibt es in drei Hauptformaten: Rundzellen in runden Metallgehäusen, prismatische Zellen in rechteckigen Metallgehäusen und Pouch-Zellen in einer versiegelten, flexiblen Verbundfolie. Baazouzi et al.: Konstruktion und Fertigung zylindrischer Zellen (2023) Form und Gehäuse beeinflussen, wie die Zellen zusammenpassen, wie Wärme abgeführt wird und wie die Batterie sie abstützt.

Dieses Kapitel erläutert den mechanischen Aufbau und knüpft an die in Zellchemie und Komponenten beschriebenen Materialien an.

Zellformat und innerer Aufbau

Im Inneren einer Zelle trennt ein elektrisch isolierender Separator die dünnen positiven und negativen Elektroden. Diese sich wiederholenden Schichten können gewickelt oder gestapelt werden.

Beim Wickeln werden durchgehende Elektroden- und Separatorbahnen zu einer Struktur aufgerollt, die oft als „Jelly Roll“ bezeichnet wird. Rundzellen verwenden einen runden Wickel. Ein prismatisches Gehäuse kann flache Wickel oder gestapelte Elektroden enthalten. Baazouzi et al.: Konstruktion und Fertigung zylindrischer Zellen (2023) Beim Z-Stapeln werden einzelne Elektrodenblätter abwechselnd auf beiden Seiten eines hin und her gefalteten Separators angeordnet. Samsung SDI beschreibt Wickeln und Z-Stapeln als unterschiedliche Verfahren zum Zusammenfügen derselben grundlegenden Schichten und betont die präzise Ausrichtung beim Wickeln, um interne Kurzschlüsse zu vermeiden. Samsung SDI: Zellmontage, Wickeln und Z-Stapeln (2026)

Gehäuse und innerer Aufbau sind somit getrennte Konstruktionsentscheidungen. „Prismatisch“ beschreibt die äußere Form, sagt aber nicht, ob die Elektroden darin gewickelt oder gestapelt sind. Auch die Chemie lässt sich nicht aus dem Format ableiten: LFP und NMC bezeichnen Elektrodenmaterialien, während Rundzelle, prismatische Zelle und Pouch-Zelle den mechanischen Aufbau beschreiben. PowerCo: erste Zellen aus Salzgitter und Unified-Cell-Architektur (2025)

Rundzellen

Eine Rundzelle umschließt ihre gewickelten Elektroden mit einem starren Metallgehäuse. Baazouzi et al.: Konstruktion und Fertigung zylindrischer Zellen (2023) Das Gehäuse gibt der Zelle eine definierte Form für Handhabung und Montage. Werden Zylinder nebeneinander angeordnet, bleiben Zwischenräume zwischen den gekrümmten Oberflächen. Bei der Batteriekonstruktion lässt sich ein Teil davon für Kühlung oder andere Komponenten nutzen.

Größen und Bezeichnungen

Gängige Größenbezeichnungen geben den ungefähren Durchmesser und die Höhe an. Eine 18650-Zelle hat etwa 18 mm Durchmesser und ist 65 mm hoch. Panasonic: Abmessungen von 18650-Zellen (2012) Eine 21700-Zelle, auch 2170 genannt, misst ungefähr 21 mm mal 70 mm. Panasonic: Größenbezeichnungen zylindrischer Zellen (2021) Eine 4680-Zelle misst ungefähr 46 mm mal 80 mm. Baazouzi et al.: Konstruktion und Fertigung zylindrischer Zellen (2023) Dies sind nominale Größenangaben; die genauen Abmessungen und Toleranzen stehen in der Spezifikation der jeweiligen Zelle.

Kontaktfahnen und Stromableitung

Die Elektrodenbeschichtungen liegen auf Metallfolien, den sogenannten Stromkollektoren. Die elektrischen Verbindungen zwischen diesen Folien und den Zellanschlüssen werden häufig als Kontaktfahnen bezeichnet. Ihre Position bestimmt, wie weit der Strom entlang der Folie fließen muss und wo elektrischer Widerstand Wärme erzeugt.

Bei einer Konstruktion mit wenigen punktuell angeordneten Kontaktfahnen konzentriert sich die Stromableitung an diesen Stellen. Mehrere Fahnen oder entlang der Elektrodenkanten verteilte Verbindungen verkürzen die Stromwege in der Folie. Li et al.: Ableitergestaltung und Kühlung zylindrischer Zellen (2021) Auch als „tabless“ bezeichnete Konstruktionen besitzen elektrische Verbindungen: Gemeint ist eine verteilte Stromableitung anstelle weniger einzelner Kontaktfahnen. Baazouzi und Kollegen dokumentieren Verbindungen über die freiliegenden Kanten der Stromkollektorfolien. Baazouzi et al.: Konstruktion und Fertigung zylindrischer Zellen (2023)

Wärme kann über die Seitenwand oder die Stirnseiten abgeführt werden, je nachdem, welche Flächen an das Kühlsystem angebunden sind. In einem validierten Modell der LG M50T im Format 21700 stellten Li und Kollegen fest, dass verteilte Stromableitung die Wärmeentwicklung und die inneren Temperaturunterschiede verringerte. In den Simulationen mit 3C-Entladung erzielte eine durchgehende Kontaktfahne in Kombination mit seitlicher Wärmeleitungskühlung die beste Kühlleistung. Die Kühlung der Seiten war in diesem Modell wirksamer als eine reine Bodenkühlung. Li et al.: Ableitergestaltung und Kühlung zylindrischer Zellen (2021)

Prismatische Zellen

Prismatische Zellen besitzen ein starres, rechteckiges Gehäuse. Baazouzi et al.: Konstruktion und Fertigung zylindrischer Zellen (2023) Ihre Form ermöglicht eine Anordnung Fläche an Fläche, mit vorgesehenem Platz für Isolierung, Abstützung und das gewählte Kühlkonzept. Zelldicke, Anschlusspositionen und Ausdehnungsspielraum prägen den endgültigen Aufbau.

Ein einheitliches Gehäuse kann auch verschiedene Zellchemien aufnehmen. Bei der Ankündigung der ersten in Salzgitter gefertigten Zellen im Dezember 2025 beschrieb PowerCo seine Unified Cell als standardisierte prismatische Architektur. Die ersten Zellen verwendeten NMC-Chemie; LFP sollte später folgen. Die erste NMC-Ausführung und die geplante LFP-Ausführung veranschaulichen, wie eine gemeinsame mechanische Architektur verschiedene Elektrodenmaterialien aufnehmen kann. PowerCo: erste Zellen aus Salzgitter und Unified-Cell-Architektur (2025)

Einordnung der BYD-Blade-Zellen

BYDs Blade-Konstruktion ist eine lange, schmale prismatische Zelle und wird in der Zellformatstudie des Fraunhofer ISI dieser Familie zugeordnet. Fraunhofer ISI: Formate von Lithium-Ionen-Zellen (2022) In seiner SEAL-Broschüre von 2024 beschreibt BYD eine Anordnung dünner, länglicher Zellen mit LFP als Kathodenmaterial. BYD Irland: SEAL-Broschüre MY2024, Blade Battery

„Blade“ bezeichnet BYDs Konstruktion, LFP das Kathodenmaterial. Cell-to-Pack und Cell-to-Body beschreiben, wie Zellen in die Batterie oder die Fahrzeugstruktur integriert werden.

Pouch-Zellen

Eine Pouch-Zelle umschließt den Elektrodenverbund mit einer Verbundfolie aus einer Aluminium-Sperrschicht und Polymerschichten. US-Energieministerium: Bericht zu nachhaltiger Fertigung und Kreislaufwirtschaft (2023) Ohne starres Gehäuse ist die Zelle für mechanische Abstützung und Schutz stärker auf die umgebende Konstruktion angewiesen. Fraunhofer ISI: Formate von Lithium-Ionen-Zellen (2022) Auch die versiegelten Ränder und Anschlusslaschen benötigen Platz um den Elektrodenverbund. LG Energy Solution: Montage von Pouchzellen (2023)

LG Energy Solution beschreibt ein Herstellungsverfahren für Pouch-Zellen, bei dem laminierte Elektrodeneinheiten gestapelt, die Anschlusslaschen angeschweißt und der Verbund in eine geformte Folientasche eingesetzt werden. Die Zelle wird mit Elektrolyt gefüllt und versiegelt. Eine vorübergehende Gastasche nimmt das bei der Formierung entstehende Gas auf; vor der endgültigen Versiegelung wird es entfernt. LG Energy Solution: Montage von Pouchzellen (2023)

Abstützung, Aufquellen und Druck

Auch nach dem Entfernen des Formierungsgases verändert sich die Zelldicke während des Betriebs. Beim Laden und Entladen ändert sich das Volumen der Elektroden. Einige Dickenänderungen sind mit dem Ladezustand reversibel, während die Alterung eine dauerhafte Ausdehnung verursachen kann. Die umgebende Struktur muss diese Änderungen zulassen und zugleich den vorgesehenen Kontakt zwischen Schichten und Kühlflächen erhalten.

Äußere Kompression ist eine Möglichkeit, diesen Kontakt zu steuern. Der erforderliche Druck und seine Änderung bei der Ausdehnung hängen von der konkreten Zelle und ihrem Einbau ab. Höherer Druck ist nicht automatisch besser. In Versuchen mit kommerziellen 60 Ah NMC622/Graphit-Pouch-Zellen stellten Michelini und Kollegen fest, dass die höhere untersuchte Vorspannung eine geringere dauerhafte Verdickung, aber einen schnelleren Kapazitätsverlust bewirkte. Die Ergebnisse sprechen dafür, einen Druckbereich für die konkrete Zelle auszulegen und zu validieren, statt allen Pouch-Zellen dieselbe Kompressionsvorgabe zuzuweisen. Michelini et al.: Schwellung von Pouchzellen bei unterschiedlicher Vorspannung (2023)

Kühlung einer flachen Zelle

Die breiten Seiten einer Pouch-Zelle bieten eine große Kontaktfläche zur Kühlung. Wärme breitet sich jedoch entlang der Elektrodenschichten anders aus als quer durch sie. Lin und Kollegen ermittelten an einer kommerziellen 20 Ah LFP-Pouch-Zelle bei voller Ladung Wärmeleitfähigkeiten von etwa 26,6 W/(m·K) entlang der Schichten und 0,52 W/(m·K) durch den Stapel: ungefähr einen Faktor 50 Unterschied. Diese Richtungsabhängigkeit erklärt, warum Zelldicke, Kontaktfläche und Position der Kühlflächen eine Rolle spielen. Lin et al.: richtungsabhängige Wärmeleitfähigkeit von Pouchzellen (2022)

Die Kühlung über die Kontaktfahnen eröffnet einen weiteren Wärmeweg. In Versuchen mit 5 Ah NMC-Pouch-Zellen stellten Hunt und Kollegen fest, dass Oberflächenkühlung Temperaturunterschiede zwischen den Elektrodenschichten und damit eine ungleichmäßige Stromverteilung erzeugte. Beim Zyklieren mit 6C-Entladung und 2C-Ladung verlor die oberflächengekühlte Zelle unter Last schneller nutzbare Kapazität als die über die Kontaktfahnen gekühlte Zelle, obwohl ihre bei niedriger Entladerate gemessenen Kapazitäten ähnlich zurückgingen. Pro Versuchslauf wurde eine Zelle je Kühlanordnung verwendet; zwei Läufe auf unterschiedlichen Batteriezyklierern lieferten vergleichbare Ergebnisse. Hunt et al.: Oberflächen- und Ableiterkühlung von Pouchzellen (2016) Kühlmittelkreisläufe und Temperaturregelung im Fahrzeug behandelt Batteriethermomanagement.

Was ändert sich bei größeren Zellen?

Eine größere Zelle kann mehr Energie speichern und die Zahl einzelner Zellen für eine bestimmte Batteriekapazität verringern. Sie verändert auch Stromableitung, Wärmefluss und die Zahl äußerer Verbindungen.

Mehr Energie pro Zelle und höhere Energiedichte

Im September 2024 beschrieb Panasonic seine 4680-Zelle als Zelle mit der fünffachen Kapazität der 2170-Zelle. Panasonic Energy: 4680-Entwicklung und Kapazitätsvergleich (2024) Aus den oben genannten nominalen Abmessungen berechnet EVKX ein Zylindervolumenverhältnis von (46² × 80) / (21² × 70), also etwa dem 5,5-Fachen. Die höhere Kapazität geht somit mit einer erheblich größeren Zelle einher.

BMWs iX5-Ankündigung vom Juni 2026 liefert ein weiteres Beispiel: Zellen mit 46 mm Durchmesser und 120 mm Höhe, deren Chemie jener der 95 mm hohen Zellen im iX3 entspricht. BMW führte die um fast 30% höhere nutzbare Energie pro Zelle auf die größere Höhe zurück. BMW: iX5-Ankündigung und Abmessungen zylindrischer Zellen (2026) Bei gleichem Durchmesser steigt das nominale Volumen im Verhältnis 120 / 95, also um etwa 26%.

Ein Energiedichtevergleich erfordert auf gleicher Grundlage gemessene Energie, geteilt durch das tatsächliche Zellvolumen oder die Masse. Die obigen Berechnungen des nominalen Volumens ordnen die Kapazitätsangaben pro Zelle ein.

Verbindungen und Spannungsüberwachung

Weniger Zellen können die Zahl äußerer Zellverbindungen reduzieren. Der Bedarf an Spannungsüberwachung richtet sich jedoch nach der elektrischen Verschaltung. Direkt parallel geschaltete Zellen haben dieselbe Spannung, weshalb ein Batteriemanagementsystem diese Parallelgruppe normalerweise als eine Position in der Reihenschaltung misst.

Werden mehrere kleinere parallel geschaltete Zellen durch eine größere ersetzt, kann die physische Zellzahl sinken, ohne dass weniger Spannungen überwacht werden müssen. In einer Antwort im TI-E2E-Supportforum erklärt Texas-Instruments-Ingenieur Matt Sunna, dass der Überwachungsbaustein direkt parallel verbundene Zellen wie eine größere Zelle behandelt. Antwort im TI-E2E-Supportforum: Überwachung parallelgeschalteter Zellgruppen Die Platzierung der Temperatursensoren ist eine getrennte Konstruktionsentscheidung.

Elektrische, thermische und ionische Transportwege

Größere Zellabmessungen können die Wege entlang der Stromkollektorfolien oder aus dem Zellinneren zu einer Kühlfläche verlängern. Die Position der Kontaktfahnen und die Kühlgeometrie beeinflussen diese elektrischen und thermischen Wege.

Lithiumionen bewegen sich lokal durch die elektrolytgefüllten Poren und den Separator sowie innerhalb der Aktivmaterialpartikel. Eine höhere oder breitere Zelle verlängert diese Wege nicht von selbst. Maßgebend sind die Dicke der Elektrodenbeschichtung, die Porenstruktur und die Partikelabmessungen. Ein größeres Gehäuse und eine dickere Beschichtung sind getrennte Konstruktionsentscheidungen; Zellchemie und Komponenten erläutert die Zielkonflikte bei den Elektroden.

Schutz auf Zellebene

Starre Rundzellen- und prismatische Gehäuse können Druckentlastungsventile enthalten. Einige Rundzellen besitzen außerdem eine druckbetätigte Stromunterbrechungseinrichtung (CID), die den elektrischen Pfad trennt, sowie ein Element mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC), dessen Widerstand beim Erwärmen steigt. Pouch-Konstruktionen können Gas durch eine Naht der heißversiegelten Hülle abgeben. Eine auf dem NASA-Batterieworkshop 2021 vorgestellte Studie beschreibt diese Mechanismen und untersucht Rundzellen ohne PTC-Elemente. Dies zeigt, warum die tatsächlich eingebauten Schutzvorrichtungen für die jeweilige Zellkonstruktion geprüft werden müssen. Chung et al., NASA-Batterieworkshop: Sicherheitseinrichtungen in Zellen (2021)

Vergleich der drei Formate

Batteriepaket und Konfiguration erklärt, wie Zellen in einer Fahrzeugbatterie verbunden, gekühlt und abgestützt werden; Batteriesicherheit behandelt die Begrenzung von Fehlerfolgen.