Formati delle celle

Le celle delle batterie per veicoli elettrici sono prodotte principalmente nei formati cilindrico, prismatico e pouch. Il formato non identifica la chimica della cella né ne determina la qualità, ma cambia il modo in cui vengono assemblati gli elettrodi e come la cella deve essere raffreddata, sostenuta, collegata e integrata nel pacco.

Formato, dimensioni e costruzione interna

Nelle discussioni sulle batterie vengono spesso confuse tre scelte diverse:

La chimica della cella descrive i materiali elettrochimici, come NMC, NCA, LFP, LMFP o ioni di sodio.
Il formato della cella descrive l'involucro fisico: cilindrico, prismatico o pouch.
L'architettura del pacco descrive come le celle sono collegate, raffreddate, trattenute, protette e integrate nel veicolo.

Queste scelte si influenzano a vicenda, ma nessuna determina le altre. Una cella prismatica può utilizzare una chimica LFP o NMC. Le celle cilindriche possono essere installate in moduli o direttamente in una struttura cell-to-pack. Le celle pouch possono essere disposte in moduli convenzionali o in gruppi di celle integrati più grandi.

Il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti identifica cilindrico, prismatico e pouch come le principali forme delle celle agli ioni di litio e osserva che i rispettivi involucri e le strutture interne elettrodo-separatore comportano caratteristiche diverse di produzione e smontaggio. (US Department of Energy)

Elettrodi avvolti

Un gruppo di elettrodi contiene strati alternati di elettrodo positivo, separatore ed elettrodo negativo.

In una cella avvolta, lunghi fogli di elettrodi e separatore vengono arrotolati in una spirale comunemente chiamata jelly roll. Le celle cilindriche utilizzano un jelly roll rotondo. Una cella prismatica può utilizzare un rotolo avvolto e appiattito, adatto a un contenitore rettangolare.

L'avvolgimento è compatibile con la produzione continua ad alta velocità, perché i produttori possono lavorare lunghe bobine di materiale elettrodico rivestito. L'allineamento deve comunque essere controllato con precisione: separatore danneggiato, pieghe o bordi degli elettrodi fuori posizione possono creare difetti interni.

Un jelly roll appiattito non riempie perfettamente un involucro rettangolare. Le sue estremità curve subiscono inoltre pressioni, percorsi di corrente e movimenti meccanici diversi rispetto alle sezioni ampie e diritte.

Elettrodi impilati

In una cella impilata, singoli fogli di elettrodo o unità elettrodiche laminate vengono disposti in strati alternati, con materiale separatore tra essi.

Un altro approccio è lo Z-stacking, nel quale un separatore continuo viene ripiegato avanti e indietro mentre fogli di elettrodo positivo e negativo vengono inseriti tra le pieghe. La pila rettangolare risultante può utilizzare in modo efficiente l'interno di un involucro prismatico o pouch, poiché non presenta estremità curve degli elettrodi.

L'impilamento richiede taglio, posizionamento, ispezione e movimentazione accurati di molti strati. La guida alla produzione di Samsung SDI descrive l'avvolgimento come il processo normalmente impiegato per le celle cilindriche e lo Z-stacking come quello utilizzato per le celle prismatiche. (Samsung SDI)

Il formato esterno non rivela quale processo interno sia stato utilizzato. Le celle prismatiche e pouch possono essere avvolte, impilate, piegate o assemblate con una combinazione di metodi specifica del fornitore.

L'involucro è una parte attiva del progetto

L'involucro di una cella non serve soltanto a contenere l'elettrolita. A seconda del formato, può:

Mantenere la pressione meccanica sul gruppo di elettrodi
Condurre il calore verso una superficie di raffreddamento
Proteggere dagli urti il separatore e i bordi degli elettrodi
Portare un potenziale elettrico come parte del progetto dei terminali
Fornire un percorso di sfiato controllato
Impedire l'ingresso di umidità e la fuoriuscita di elettrolita
Trasferire i carichi al modulo o al pacco circostante

I contenitori rigidi cilindrici e prismatici forniscono già un supporto considerevole. Una pouch flessibile dipende molto di più dalla struttura che la circonda.

Le dimensioni contano quanto la forma

Due celle dello stesso formato possono differire notevolmente per capacità, energia, potenza, generazione di calore e comportamento meccanico.

L'uso di molte celle piccole offre:

Meno energia in ogni singola cella
Maggiore superficie esterna in rapporto all'energia immagazzinata
Più percorsi elettrici in parallelo
Più componenti ripetuti, saldature e potenziali punti di guasto

L'uso di un numero minore di celle grandi offre:

Meno terminali, interconnessioni, saldature e punti di monitoraggio
Meno materiale ripetuto dell'involucro per una determinata capacità del pacco
Più energia immagazzinata in ogni cella
Percorsi interni più lunghi per elettroni, ioni e calore
Conseguenze maggiori se una cella sviluppa un guasto grave

Le dimensioni delle celle rappresentano quindi un continuum, non una categoria di formato distinta.

Celle cilindriche

Una cella cilindrica inserisce un rotolo di elettrodi avvolti in un contenitore metallico rigido e rotondo. La parete circolare sostiene uniformemente il jelly roll e resiste alla pressione interna senza richiedere grandi pannelli piatti.

Le celle cilindriche beneficiano di metodi di produzione altamente automatizzati, sviluppati in applicazioni elettroniche di consumo, industriali e automobilistiche. La forma regolare è facile da manipolare, ruotare, ispezionare e trasportare nelle attrezzature produttive.

Quando vengono disposte in un pacco rettangolare, le celle rotonde lasciano spazi. Questi riducono l'efficienza volumetrica teorica, ma non sono sempre sprecati. I progettisti possono usarli per:

Canali del liquido di raffreddamento
Isolamento elettrico
Adesivo strutturale o schiuma
Supporti delle celle
Spazio per l'espansione
Barriere destinate a rallentare la propagazione termica

Il risultato del pacco dipende dall'efficacia con cui queste funzioni sfruttano lo spazio disponibile.

Denominazioni delle dimensioni cilindriche

Le denominazioni delle celle cilindriche descrivono normalmente il diametro e l'altezza approssimativi in millimetri:

18650 o 1865: circa 18 mm di diametro e 65 mm di altezza
2170 o 21700: circa 21 mm di diametro e 70 mm di altezza
4680: circa 46 mm di diametro e 80 mm di altezza
4695: circa 46 mm di diametro e 95 mm di altezza
46120: circa 46 mm di diametro e 120 mm di altezza

Le convenzioni di denominazione non sono perfettamente uniformi. Alcuni produttori usano cinque cifre, mentre altri omettono lo zero finale. La sigla descrive l'involucro nominale, non la chimica, la capacità, la disposizione dei terminali o la costruzione interna.

Passare a un cilindro più grande riduce il numero di celle necessarie per una determinata capacità del pacco. Panasonic dichiara che la sua cella 4680 ha una capacità circa cinque volte superiore a quella della 2170. È soprattutto un confronto della capacità per cella: la 4680 è fisicamente molto più grande, quindi non significa una densità energetica cinque volte maggiore. (Panasonic Energy)

Le celle più grandi introducono esigenze ingegneristiche proprie. Il calore deve percorrere una distanza maggiore dal centro del jelly roll, la corrente deve essere raccolta su elettrodi più grandi e ogni cella contiene più energia. Tolleranze produttive, raffreddamento, sfiato e protezione dalla propagazione diventano sempre più importanti.

Il sistema Gen6 di BMW dimostra come celle con diametro comune possano essere adattate a veicoli diversi. La BMW iX3 utilizza celle da 46 mm con un'altezza di 95 mm, mentre la BMW iX5 impiega celle dello stesso diametro e della stessa chimica ma alte 120 mm. BMW afferma che la cella più alta immagazzina quasi il 30% in più di energia utilizzabile per cella. L'aumento deriva dal maggiore volume della cella; non è un incremento del 30% della densità energetica. (BMW Group)

Linguette e raccolta della corrente

I fogli degli elettrodi rivestiti all'interno di una cella cilindrica devono essere collegati ai terminali esterni.

Un progetto tradizionale utilizza una o più linguette metalliche separate, saldate ai collettori di corrente positivo e negativo. Gli elettroni provenienti dalle parti più lontane dell'elettrodo devono scorrere lungo il sottile foglio prima di raggiungere una linguetta. Questo percorso crea resistenza e può produrre distribuzioni non uniformi di corrente e temperatura.

Le moderne celle cilindriche di grandi dimensioni possono utilizzare:

Diverse linguette distribuite lungo l'elettrodo
Molte piccole sezioni di linguetta
Un collegamento continuo del bordo attorno a gran parte del jelly roll
Collegamenti a tutta superficie tra il bordo del collettore e il gruppo terminale

Il termine tabless viene comunemente usato per i progetti a linguetta continua, ma il collegamento elettrico non è scomparso. È invece un'ampia parte del bordo del collettore di corrente a fungere da connessione. Le ricerche sulla raccolta di corrente nelle celle cilindriche mostrano che linguette aggiuntive o meglio distribuite possono ridurre l'aumento di temperatura e i gradienti termici. (Journal of Power Sources)

Il vantaggio dipende dalla costanza di taglio, piegatura, saldatura e contatto elettrico attorno al rotolo di elettrodi. Una geometria ingegnosa ma difficile da produrre in modo ripetibile può perdere il proprio vantaggio teorico.

Raffreddamento delle celle cilindriche

Il calore può lasciare una cella cilindrica attraverso:

La parete laterale curva
La base
L'estremità dei terminali
Materiale conduttivo collocato tra celle adiacenti

Il raffreddamento laterale offre un'ampia area di contatto, ma richiede strutture di raffreddamento tra le file di celle. Il raffreddamento dalla base o dai terminali può semplificare l'assemblaggio del pacco, anche se il calore deve allora percorrere l'altezza del jelly roll.

Il rotolo di elettrodi è termicamente anisotropo: il calore si propaga più facilmente in alcune direzioni che in altre. Il metodo di raffreddamento migliore dipende quindi da altezza e diametro della cella, progetto delle linguette, chimica, richiesta di potenza e differenza di temperatura tollerabile dal pacco.

Punti di forza delle celle cilindriche

Involucro rigido con resistenza efficiente alla pressione
Produzione matura e altamente automatizzata
Geometria uniforme per movimentazione e ispezione
Capacità flessibile del pacco grazie ai gruppi di celle in parallelo
Elevata superficie in rapporto all'energia quando si usano celle più piccole
Famiglie dimensionali e attrezzature produttive consolidate

Limiti delle celle cilindriche

Le celle rotonde non possono riempire completamente un volume rettangolare
I pacchi con celle piccole richiedono molte saldature e interconnessioni
I cilindri grandi concentrano più energia per ogni possibile guasto
Il pacco deve garantire un raffreddamento uniforme di molte celle
L'orientamento delle celle e la posizione dei terminali vincolano la disposizione del pacco
La temperatura interna del nucleo non può essere dedotta perfettamente da una sola misurazione esterna

Celle prismatiche

Una cella prismatica utilizza un involucro rettangolare rigido, normalmente in alluminio o acciaio. Il gruppo di elettrodi può essere un rotolo avvolto e appiattito oppure una pila di singoli strati.

La forma rettangolare può sfruttare efficientemente l'area del pianale del veicolo e consente di costruire un pacco con un numero relativamente ridotto di grandi celle. Meno celle riducono il numero di terminali, giunzioni delle sbarre, saldature e punti di monitoraggio della tensione.

Le ampie facce delle celle possono essere appoggiate a piastre di raffreddamento o strutture di compressione. Il contenitore metallico offre inoltre protezione dagli urti e posizioni definite per terminali, guarnizioni, sfiato di pressione e, talvolta, un meccanismo di interruzione della corrente o un fusibile.

Le pareti piatte richiedono un attento controllo meccanico. I materiali degli elettrodi cambiano dimensioni con stato di carica, temperatura ed età, mentre le reazioni secondarie possono generare gas. Il pacco deve consentire il movimento normale, impedendo al contempo gonfiore eccessivo, perdita del contatto di raffreddamento o pressioni locali dannose.

Le grandi celle prismatiche possono inoltre sviluppare gradienti interni di temperatura e stato di carica. Raffreddare una faccia o soltanto il fondo non garantisce che ogni parte della pila di elettrodi resti alla stessa temperatura.

Piattaforme standardizzate e celle specifiche del fornitore

A differenza delle celle cilindriche, quelle prismatiche non seguono un unico insieme diffuso di dimensioni esterne. Altezza, larghezza, spessore, posizione dei terminali, progetto dello sfiato e capacità sono spesso adattati a un produttore o a una piattaforma del veicolo.

Ciò può migliorare l'integrazione, ma riduce l'intercambiabilità. Due celle prismatiche con chimica e capacità simili potrebbero non entrare nello stesso pacco né utilizzare le stesse interfacce di compressione, raffreddamento ed elettriche.

La Unified Cell del Gruppo Volkswagen, sviluppata da PowerCo, è un esempio di standardizzazione all'interno di un gruppo automobilistico. È una piattaforma prismatica destinata a supportare fornitori, veicoli e chimiche degli elettrodi differenti. PowerCo ha iniziato la produzione con una versione NMC e afferma che seguiranno varianti LFP. (Volkswagen Group)

La Unified Cell non è una nuova chimica e non rende tutte le versioni elettrochimicamente identiche. Materiali degli elettrodi, carico, capacità, finestra di tensione, capacità di ricarica e requisiti termici possono comunque differire all'interno di un concetto esterno comune.

Celle prismatiche lunghe e in stile Blade

Una cella in stile Blade è una cella prismatica lunga e stretta. Non è un quarto formato fondamentale.

La Blade Battery di BYD utilizza lunghe celle LFP piatte, disposte direttamente in una matrice senza moduli intermedi convenzionali.

BYD descrive ogni cella come parte integrante della struttura del pacco. La forma allungata consente a una cella di attraversare gran parte dell'involucro, riduce il numero di collegamenti elettrici ripetuti e offre ampie superfici per il trasferimento di calore. (BYD)

Molti benefici attribuiti a una cella Blade derivano dalla relazione tra le sue dimensioni e il pacco costruito attorno ad essa. Una cella prismatica lunga non produce automaticamente elevata densità energetica del pacco, ricarica rapida o grande resistenza agli urti.

Anche i suoi limiti derivano dalla stretta integrazione:

Lunghezza della cella e larghezza del pacco devono essere progettate insieme
Allineamento e tolleranze dimensionali valgono lungo un componente esteso
Temperatura e pressione devono restare sotto controllo per tutta la lunghezza della cella
Una sola cella contiene una quantità considerevole di energia
Sostituire una singola cella può essere difficile in una struttura fortemente integrata

Il comportamento termico della Blade Battery riflette inoltre la chimica LFP, il progetto degli elettrodi, lo stato di carica e il sistema completo del pacco BYD. Alla forma della cella non vanno attribuiti comportamenti dovuti alla chimica.

Punti di forza delle celle prismatiche

Uso efficiente dello spazio rettangolare del pacco
Meno celle e collegamenti elettrici
Involucro rigido e componenti di sfiato definiti
Ampie superfici per raffreddamento e compressione
Dimensioni adattabili alla piattaforma del veicolo
Buona compatibilità con pacchi privi di moduli

Limiti delle celle prismatiche

Le grandi superfici piatte richiedono espansione e compressione controllate
In una cella grande possono svilupparsi gradienti termici interni
Ogni cella contiene una quantità considerevole di energia
Dimensioni e interfacce sono spesso specifiche del fornitore
Una cella progettata per una piattaforma può essere difficile da riutilizzare altrove
Le grandi celle rendono il pacco più sensibile all'uniformità di ciascuna cella

Celle pouch

Una cella pouch utilizza un involucro laminato flessibile anziché un contenitore metallico rigido. Il film combina normalmente uno strato barriera di alluminio con strati polimerici che forniscono isolamento elettrico, protezione meccanica e superfici termosaldabili.

La pouch contiene un gruppo di elettrodi avvolto, impilato, laminato o piegato. Le grandi celle pouch automobilistiche impiegano spesso strutture impilate, perché gli strati rettangolari possono occupare efficientemente l'involucro.

Nel processo di assemblaggio delle celle pouch di LG Energy Solution, le unità elettrodiche laminate vengono impilate, i conduttori vengono saldati alla pila e questa viene inserita in una pouch preformata. L'elettrolita viene aggiunto attraverso una tasca temporanea per il gas. Il gas prodotto durante i primi cicli di formazione viene poi rimosso prima della sigillatura finale della pouch. (LG Energy Solution)

L'involucro laminato aggiunge poca massa alla cella, ma non trattiene gli elettrodi come un contenitore rigido. Una cella pouch deve essere considerata parte di un sistema meccanico comprendente:

Piastre o telai di compressione
Cuscinetti cedevoli che assorbono l'espansione
Protezione per i bordi della cella e le saldature dei conduttori
Interfaccia di raffreddamento controllata
Barriere tra celle adiacenti
Supporto che impedisce la flessione durante assemblaggio e funzionamento del veicolo

Le celle pouch cambiano normalmente leggermente spessore durante i cicli. Un ulteriore gonfiore può verificarsi con l'invecchiamento o se reazioni secondarie generano gas. La compressione deve essere abbastanza forte e uniforme da mantenere il contatto, ma non così elevata o irregolare da danneggiare la pila di elettrodi.

Raffreddamento delle celle pouch

Le ampie facce di una cella pouch offrono una grande superficie potenziale di raffreddamento. Le piastre possono toccare una o entrambe le facce, oppure il pacco può rimuovere il calore attraverso un bordo o le linguette degli elettrodi.

Un buon contatto con le facce è essenziale. Se gonfiore, variazioni di tolleranza o compressione insufficiente creano uno spazio vuoto, la resistenza termica locale aumenta. Cuscinetti e materiali d'interfaccia termica devono mantenere il contatto consentendo al contempo le normali variazioni dimensionali.

Il calore si propaga più facilmente lungo i fogli metallici degli elettrodi che direttamente attraverso i numerosi strati di elettrodo e separatore. Una temperatura superficiale può quindi nascondere una regione interna più calda, soprattutto in una cella grande o spessa.

Punti di forza delle celle pouch

Bassa massa dell'involucro
Uso efficiente del volume interno della cella
Larghezza, altezza e spessore flessibili
Ampie superfici accoppiabili a piastre di raffreddamento
Meno celle rispetto ai pacchi con piccoli formati cilindrici
Compatibilità con la costruzione a elettrodi impilati

Limiti delle celle pouch

Il pacco deve fornire la maggior parte del supporto meccanico
Compressione e margine per l'espansione sono essenziali
I bordi laminati e le saldature dei conduttori richiedono un'attenta protezione
Le grandi celle flessibili sono impegnative da movimentare e assemblare
Il gonfiore può modificare il contatto di raffreddamento e la pressione meccanica
Telai, cuscinetti e protezioni compensano parte del risparmio di peso a livello della cella

Come il formato delle celle cambia la progettazione del pacco

Il formato delle celle non opera isolatamente. Il suo valore dipende da quanto bene l'architettura del pacco ne sfrutta i punti di forza e ne compensa i limiti.

Numero di celle e collegamenti elettrici

Un pacco che utilizza migliaia di piccole celle cilindriche richiede molte saldature e percorsi di corrente in parallelo. Un pacco con grandi celle prismatiche o pouch necessita di molti meno collegamenti, ma ciascuno trasporta più corrente e ogni cella rappresenta una quota maggiore della capacità del pacco.

Un numero minore di celle può semplificare rilevamento e assemblaggio. Più celle possono offrire incrementi di capacità più fini e più percorsi in parallelo. Nessuna delle due strategie garantisce l'affidabilità: qualità produttiva, progetto delle interconnessioni, rilevamento dei guasti e protezione elettrica determinano il risultato.

Percorsi di raffreddamento

Le celle cilindriche offrono superfici curve e diverse possibili direzioni di raffreddamento. Le celle prismatiche e pouch offrono ampie superfici piatte, ma possono sviluppare gradienti attraverso lo spessore.

Il sistema di raffreddamento deve adattarsi a:

Dove viene generato il calore all'interno della cella
Quanto facilmente il calore attraversa il gruppo di elettrodi
Distanza tra la regione interna più calda e il liquido di raffreddamento
Potenza di carica e scarica
Differenza di temperatura accettabile tra le celle
Espansione della cella durante tutta la vita utile

Per questo lo stesso formato può comportarsi in modo molto diverso in due veicoli.

Compressione e supporto strutturale

Le celle pouch richiedono compressione esterna. Anche le grandi celle prismatiche necessitano di un contenimento controllato, sebbene i loro contenitori offrano maggiore supporto. I contenitori cilindrici sono più autosostenenti, ma richiedono comunque posizionamento preciso e protezione da vibrazioni e urti.

La struttura circostante aggiunge massa e occupa spazio. La densità energetica a livello della cella non va quindi confusa con quella a livello del pacco.

Energia del guasto e propagazione

Una cella più grande contiene più energia, quindi un guasto grave può rilasciare più calore e gas da un singolo punto. Una cella più piccola contiene meno energia, ma il pacco ha più celle adiacenti e più possibili percorsi di propagazione.

Il formato influenza direzione dello sfiato, distanza, barriere e trasferimento di calore, ma da solo non può garantire la sicurezza. Contano chimica, stato di carica, qualità delle celle, dispositivi di protezione, raffreddamento, struttura anticollisione, gestione dei gas e prove di propagazione.

Cell-to-pack non è un formato di cella

Cell-to-pack significa che le celle sono integrate nel pacco senza moduli autonomi convenzionali. I progetti privi di moduli possono utilizzare celle cilindriche, prismatiche o pouch.

Eliminare gli involucri dei moduli e le strutture duplicate può migliorare l'efficienza in termini di spazio e massa. Trasferisce inoltre maggiori responsabilità all'involucro del pacco, tra cui:

Posizionamento e contenimento delle celle
Isolamento elettrico
Contatto di raffreddamento
Gestione dei carichi d'urto
Gestione di incendi e gas
Controllo delle tolleranze produttive
Strategia di assistenza e riparazione

Il risultato dipende dal progetto completo, non dalla semplice eliminazione dei moduli.

Produzione, riparazione e riciclo

Le piccole celle standardizzate possono semplificare la produzione delle celle creando al contempo un assemblaggio complesso del pacco. Le grandi celle specifiche di una piattaforma possono semplificare l'assemblaggio del pacco, ma richiedono attrezzature e movimentazione dedicate.

I pacchi fortemente integrati possono ridurre componenti e peso, ma adesivi, schiume strutturali, celle lunghe e installazione diretta cell-to-pack possono rendere più difficili diagnosi, smontaggio e sostituzione delle singole celle.

Anche i processi di riciclo incontrano involucri, adesivi, materiali di raffreddamento e percorsi di smontaggio differenti. Il Dipartimento dell'Energia osserva che involucro e assemblaggio degli elettrodi influenzano la facilità con cui le celle possono essere aperte e trattate. (US Department of Energy)

Cosa significa il formato delle celle per chi acquista un veicolo elettrico

Il formato è utile per comprendere le decisioni ingegneristiche, ma non costituisce una classifica di qualità.

Un veicolo non:

Si ricarica automaticamente più in fretta perché usa celle cilindriche
Percorre automaticamente più strada perché usa celle pouch
Dura automaticamente più a lungo perché usa celle prismatiche
Resiste automaticamente alla propagazione termica perché usa celle in stile Blade
Possiede automaticamente un'elevata densità energetica del pacco perché adotta una costruzione cell-to-pack

Per uno specifico veicolo elettrico, le domande più utili sono:

Quali sono le capacità lorda e utilizzabile della batteria?
Quanto è efficiente il veicolo?
Qual è l'andamento della curva di ricarica?
La batteria può essere precondizionata prima della ricarica rapida?
Come cambia la ricarica con il freddo o il caldo?
Come riscalda e raffredda le celle il sistema di gestione termica?
Quali condizioni si applicano a degrado e garanzia?
In che modo il produttore ha verificato la propagazione tra le celle?
È possibile diagnosticare e sostituire moduli o singoli gruppi di celle?
La riparazione del pacco richiede la sostituzione dell'intera batteria?

Il formato aiuta a spiegare perché un produttore abbia scelto una determinata strategia di raffreddamento, struttura, produzione o assistenza. È il veicolo finito a determinare se tale strategia funziona bene.

Per i materiali all'interno di ciascun formato, consulta Chimica e componenti delle celle. I collegamenti elettrici e la gerarchia strutturale sono trattati in Pacco batteria e configurazione, mentre i sistemi di raffreddamento sono spiegati in Gestione termica della batteria.