Battericelleformater i elbiler: sylindriske celler, prismatiske celler og poseceller

Battericeller til elbiler finnes i tre hovedformater: sylindriske celler i runde metallhylstre, prismatiske celler i rektangulære metallhus og poseceller forseglet i fleksibel laminert folie. Baazouzi mfl.: utforming og produksjon av sylindriske celler (2023) Formen og innkapslingen påvirker hvordan cellene passer sammen, hvordan varmen ledes ut, og hvordan batteriet støtter dem.

Dette kapitlet forklarer den fysiske oppbygningen og bygger videre på materialene som beskrives i Cellekjemi og komponenter.

Celleformat og innvendig oppbygning

Inne i en celle er tynne positive og negative elektroder adskilt av en elektrisk isolerende separator. Disse lagene danner en gjentatt struktur som kan vikles eller stables.

Ved vikling rulles sammenhengende elektrode- og separatorstrimler til en struktur som ofte kalles en «jelly roll». Sylindriske celler har en rund vikling. Et prismatisk hus kan inneholde flate viklinger eller stablede elektroder. Baazouzi mfl.: utforming og produksjon av sylindriske celler (2023) Ved Z-stabling legges separate elektrodeark vekselvis på hver side av en separator som brettes frem og tilbake. Samsung SDI beskriver vikling og Z-stabling som ulike måter å sette sammen de samme grunnleggende lagene på, og understreker at presis innretting under viklingen er nødvendig for å unngå interne kortslutninger. Samsung SDI: cellemontering, vikling og Z-stabling (2026)

Innkapslingen og den innvendige oppbygningen er derfor separate konstruksjonsvalg. «Prismatisk» beskriver den utvendige formen; det sier ikke om elektrodene inni er viklet eller stablet. Formatet angir heller ikke kjemien: LFP og NMC beskriver elektrodematerialer, mens sylindrisk, prismatisk og posecelle beskriver fysisk oppbygning. PowerCo: de første Salzgitter-cellene og Unified Cell-arkitekturen (2025)

Sylindriske celler

En sylindrisk celle omslutter de viklede elektrodene med et stivt metallhylster. Baazouzi mfl.: utforming og produksjon av sylindriske celler (2023) Hylsteret gir en fast form for håndtering og montering. Når sylindere plasseres sammen, blir det mellomrom mellom de buede overflatene. Batterikonstruktører kan bruke noe av denne plassen til kjøling eller andre komponenter.

Størrelser og betegnelser

Vanlige størrelsesbetegnelser angir omtrentlig diameter og høyde. En 18650-celle er omtrent 18 mm i diameter og 65 mm høy. Panasonic: mål på 18650-celler (2012) En 21700-celle, også kalt 2170, er omtrent 21 mm ganger 70 mm. Panasonic: størrelsesbetegnelser for sylindriske celler (2021) En 4680-celle er omtrent 46 mm ganger 80 mm. Baazouzi mfl.: utforming og produksjon av sylindriske celler (2023) Dette er nominelle størrelsesangivelser; nøyaktige mål og toleranser fremgår av spesifikasjonen for den enkelte cellen.

Tilkoblingsfliker og strømoppsamling

Elektrodebeleggene ligger på metallfolier som kalles strømkollektorer. Elektriske forbindelser mellom disse foliene og cellepolene kalles ofte tilkoblingsfliker. Plasseringen avgjør hvor langt strømmen må gå langs folien, og hvor elektrisk motstand utvikler varme.

En konstruksjon med noen få lokale fliker konsentrerer strømoppsamlingen på disse stedene. Flere fliker, eller forbindelser fordelt langs elektrodekantene, forkorter strømmens vei gjennom folien. Li mfl.: tilkoblingsfliker og kjøling i sylindriske celler (2021) Konstruksjoner som beskrives som «tabless», har fortsatt elektriske forbindelser: betegnelsen viser til fordelt strømoppsamling i stedet for noen få separate fliker. Baazouzi og kolleger dokumenterer forbindelser gjennom de eksponerte kantene på strømkollektorfoliene. Baazouzi mfl.: utforming og produksjon av sylindriske celler (2023)

Varme kan ledes ut gjennom sideveggen eller endene, avhengig av hvilke flater som er koblet til kjølesystemet. I en validert modell av LG M50T 21700-cellen fant Li og kolleger at fordelt strømoppsamling reduserte varmeutviklingen og de innvendige temperaturforskjellene. I studiens simuleringer med 3C-utlading ga en konstruksjon med sammenhengende flik og varmeledende sidekjøling best kjøling. I denne modellen var kjøling av sidene mer effektivt enn kjøling bare av bunnen. Li mfl.: tilkoblingsfliker og kjøling i sylindriske celler (2021)

Prismatiske celler

Prismatiske celler har et stivt, rektangulært hus. Baazouzi mfl.: utforming og produksjon av sylindriske celler (2023) Formen gjør at naboceller kan plasseres flate mot flate, med plass satt av til isolasjon, støtte og den valgte kjøleløsningen. Celletykkelse, polplassering og rom for utvidelse påvirker den endelige sammenstillingen.

Et felles hus kan også brukes med ulike kjemier. Da PowerCo i desember 2025 kunngjorde de første cellene produsert i Salzgitter, beskrev selskapet Unified Cell som en standardisert prismatisk arkitektur. De første cellene brukte NMC-kjemi, og LFP var planlagt senere. Den første NMC-versjonen og den planlagte LFP-versjonen viser hvordan en felles fysisk arkitektur kan romme ulike elektrodematerialer. PowerCo: de første Salzgitter-cellene og Unified Cell-arkitekturen (2025)

Hvor BYD Blade hører hjemme

BYDs Blade-konstruksjon er en lang, smal prismatisk cellekonstruksjon, klassifisert i denne familien i Fraunhofer ISIs studie av celleformater. Fraunhofer ISI: formater for litiumionceller (2022) I BYDs SEAL-brosjyre fra 2024 beskriver produsenten en sammenstilling av tynne, langstrakte celler med LFP som katodemateriale. BYD Irland: SEAL MY2024-brosjyre, Blade Battery

«Blade» betegner BYDs konstruksjon, mens LFP angir katodematerialet. Cell-to-pack og cell-to-body beskriver hvordan cellene integreres i batteriet eller kjøretøystrukturen.

Poseceller

En posecelle omslutter elektrodepakken med laminert folie som inneholder et barrierelag av aluminium og polymerlag. USAs energidepartement: rapport om bærekraftig produksjon og sirkulær økonomi (2023) Uten et stivt hus er cellen mer avhengig av sammenstillingen rundt for mekanisk støtte og beskyttelse. Fraunhofer ISI: formater for litiumionceller (2022) De forseglede kantene og tilkoblingslederne tar også plass rundt elektrodepakken. LG Energy Solution: montering av poseceller (2023)

LG Energy Solution beskriver en produksjonsprosess for poseceller der laminerte elektrodeenheter stables, tilkoblingslederne sveises på, og sammenstillingen settes inn i en formet pose. Cellen fylles med elektrolytt og forsegles. En midlertidig gasslomme tar imot gass som dannes under formeringen; gassen fjernes før den endelige forseglingen. LG Energy Solution: montering av poseceller (2023)

Støtte, svelling og trykk

Etter at formeringsgassen er fjernet, endrer cellen fortsatt tykkelse under bruk. Elektrodene endrer volum når cellen lades og utlades. Noen tykkelsesendringer følger ladetilstanden og er reversible, mens aldring kan gi varig utvidelse. Strukturen rundt må ta høyde for disse endringene og samtidig opprettholde den tiltenkte kontakten mellom lag og kjøleflater.

Utvendig kompresjon er én måte å styre denne kontakten på. Nødvendig trykk og hvordan det endres når cellen utvider seg, er spesifikt for cellen og monteringen. Høyere trykk er ikke automatisk bedre. I forsøk med kommersielle 60 Ah NMC622/grafitt-poseceller fant Michelini og kolleger at den høyere testede forbelastningen ga mindre varig fortykkelse, men raskere kapasitetstap. Resultatene støtter at et trykkområde bør utformes og valideres for den aktuelle cellen, fremfor å angi ett kompresjonskrav for alle poseceller. Michelini mfl.: svelling i poseceller ved ulik mekanisk forbelastning (2023)

Kjøling av en flat celle

De brede flatene på en posecelle gir et stort kontaktareal for kjøling. Varme ledes likevel forskjellig langs elektrodelagene og på tvers av dem. Lin og kolleger målte varmeledningsevnen i en kommersiell 20 Ah LFP-posecelle ved full ladning til omtrent 26,6 W/(m·K) langs lagene og 0,52 W/(m·K) gjennom stabelen: en forskjell på omtrent 50 ganger. Denne retningsavhengigheten bidrar til å forklare hvorfor celletykkelse, kontaktareal og plassering av kjøleflater har betydning. Lin mfl.: retningsavhengig varmeledningsevne i poseceller (2022)

Kjøling gjennom tilkoblingsflikene gir en annen varmevei. I forsøk med 5 Ah NMC-poseceller fant Hunt og kolleger at overflatekjøling skapte temperaturforskjeller mellom elektrodelagene og dermed ujevn strømfordeling. Under sykling med 6C-utlading og 2C-lading mistet den overflatekjølte cellen raskere brukbar kapasitet under belastning enn cellen som ble kjølt gjennom flikene, selv om kapasiteten målt ved lav utladingsrate avtok omtrent likt. Hver forsøksrunde brukte én celle per kjøleløsning, og to runder med forskjellige batterisyklere ga sammenlignbare resultater. Hunt mfl.: kjøling av poseceller via overflater og tilkoblingsfliker (2016) Kjølevæskekretser og temperaturstyring i kjøretøyet beskrives i Temperaturstyring av batteriet.

Hva endres når cellene blir større?

En større celle kan lagre mer energi og redusere antallet separate celler som trengs for en gitt batterikapasitet. Den endrer også strømoppsamling, varmeflyt og antallet utvendige forbindelser.

Mer energi per celle og høyere energitetthet

I september 2024 beskrev Panasonic sin 4680-celle som å ha fem ganger kapasiteten til 2170-cellen. Panasonic Energy: utvikling av 4680 og sammenligning av kapasitet (2024) Med de nominelle målene ovenfor beregner EVKX forholdet mellom sylindervolumene som (46² × 80) / (21² × 70), eller omtrent 5,5 ganger. Kapasitetsøkningen følger dermed en betydelig økning i cellestørrelse.

BMWs kunngjøring av iX5 i juni 2026 gir et annet eksempel: celler med 46 mm diameter og 120 mm høyde, med samme kjemi som de 95 mm høye cellene i iX3. BMW tilskrev nesten 30% mer brukbar energi per celle den økte høyden. BMW: iX5-lansering og mål på sylindriske celler (2026) Ved lik diameter øker det nominelle volumet med 120 / 95, eller omtrent 26%.

En sammenligning av energitetthet krever energi målt på samme grunnlag, delt på faktisk cellevolum eller masse. Beregningene av nominelt volum ovenfor setter påstandene om kapasitet per celle i sammenheng.

Forbindelser og spenningsovervåking

Færre celler kan redusere antallet utvendige celleforbindelser. Behovet for spenningsovervåking følger imidlertid den elektriske koblingen. Celler som er direkte parallellkoblet, har felles spenning, så batteristyringssystemet måler normalt denne parallellgruppen som én posisjon i seriekoblingen.

Å erstatte flere små parallellkoblede celler med én større celle kan derfor redusere det fysiske celletallet uten å redusere antallet overvåkede spenninger. I et svar på støtteforumet TI E2E forklarer Texas Instruments-ingeniør Matt Sunna at overvåkingskretsen behandler direkte parallellkoblede celler som én større celle. Svar i TI E2E-støtteforumet: overvåking av parallellkoblede cellegrupper Plasseringen av temperatursensorer er et separat konstruksjonsvalg.

Elektriske, termiske og ioniske transportveier

Større celledimensjoner kan forlenge veiene langs strømkollektorfoliene eller fra cellens indre til en kjøleflate. Plasseringen av flikene og kjølegeometrien er tiltak som påvirker disse elektriske og termiske veiene.

Litiumioner transporteres lokalt gjennom elektrolyttfylte porer og separatoren, og inne i partiklene i det aktive materialet. Å gjøre cellen høyere eller bredere forlenger ikke i seg selv disse veiene. Tykkelsen på elektrodebelegget, porestrukturen og partikkeldimensjonene bestemmer dem. Et større hus og et tykkere belegg er separate konstruksjonsvalg; Cellekjemi og komponenter forklarer avveiningene i elektrodeutformingen.

Beskyttelse på cellenivå

Stive sylindriske og prismatiske hus kan ha trykkavlastningsventiler. Noen sylindriske konstruksjoner har også en trykkstyrt strømavbryter (CID), som bryter den elektriske forbindelsen, og et element med positiv temperaturkoeffisient (PTC), som øker motstanden når det varmes opp. Posekonstruksjoner kan slippe ut gass gjennom en søm i den varmeforseglede innkapslingen. En studie presentert på NASAs batterikonferanse i 2021 beskriver disse mekanismene og tester sylindriske celler uten PTC-elementer. Dette viser hvorfor det må kontrolleres hvilke vern den aktuelle cellekonstruksjonen faktisk har. Chung mfl., NASAs batteriverksted: sikkerhetsinnretninger i celler (2021)

Sammenligning av de tre formatene

Batteripakke og konfigurasjon beskriver hvordan celler kobles sammen, kjøles og støttes i et kjøretøybatteri; Batterisikkerhet beskriver hvordan konsekvensene av feil begrenses.