Celvormen voor EV-accu's: cilindrisch, prismatisch en pouch

Accucellen voor elektrische auto's zijn er in drie hoofdvormen: cilindrische cellen in ronde metalen behuizingen, prismatische cellen in rechthoekige metalen behuizingen en pouchcellen die zijn afgedicht in flexibel gelamineerd folie. Baazouzi et al.: ontwerp en productie van cilindrische cellen (2023) Hun vorm en behuizing beïnvloeden hoe ze bij elkaar passen, hoe warmte de cel verlaat en hoe de accu de cellen ondersteunt.

Dit hoofdstuk legt die fysieke constructie uit en bouwt voort op de materialen die worden beschreven in Celchemie en componenten.

Celvorm en interne opbouw

Binnenin een cel worden dunne positieve en negatieve elektroden van elkaar gescheiden door een elektrisch isolerende separator. Deze lagen vormen een herhaalde opbouw, die kan worden gewikkeld of gestapeld.

Bij wikkelen worden doorlopende stroken elektrodemateriaal en separator opgerold tot een structuur die vaak een jelly roll wordt genoemd. Cilindrische cellen gebruiken een ronde wikkeling. Een prismatische behuizing kan afgeplatte wikkelingen of gestapelde elektroden bevatten. Baazouzi et al.: ontwerp en productie van cilindrische cellen (2023) Bij Z-stapelen worden afzonderlijke elektrodeplaten afwisselend aan weerszijden van een heen en weer gevouwen separator geplaatst. Samsung SDI beschrijft wikkelen en Z-stapelen als verschillende manieren om dezelfde essentiële lagen samen te voegen en benadrukt dat nauwkeurige uitlijning tijdens het wikkelen nodig is om interne kortsluiting te voorkomen. Samsung SDI: celassemblage, wikkelen en Z-stapelen (2026)

De behuizing en de interne opbouw zijn dus afzonderlijke ontwerpkeuzes. “Prismatisch” beschrijft de buitenvorm; het zegt niet of de elektroden binnenin gewikkeld of gestapeld zijn. De vorm bepaalt evenmin de chemie: LFP en NMC beschrijven elektrodematerialen, terwijl cilindrisch, prismatisch en pouch de fysieke constructie beschrijven. PowerCo: eerste cellen uit Salzgitter en Unified Cell-architectuur (2025)

Cilindrische cellen

Een cilindrische cel omsluit zijn gewikkelde elektroden met een stijve metalen behuizing. Baazouzi et al.: ontwerp en productie van cilindrische cellen (2023) Die geeft de cel een vaste vorm voor hantering en assemblage. Wanneer cilinders naast elkaar worden geplaatst, blijven er ruimten tussen hun gebogen oppervlakken over. Accuontwerpers kunnen een deel daarvan gebruiken voor koeling of andere onderdelen.

Afmetingen en naamgeving

Gangbare maataanduidingen beschrijven bij benadering de diameter en hoogte. Een 18650-cel heeft een diameter van ongeveer 18 mm en een hoogte van 65 mm. Panasonic: afmetingen van 18650-cellen (2012) Een 21700-cel, ook 2170 genoemd, meet ongeveer 21 mm bij 70 mm. Panasonic: maataanduidingen van cilindrische cellen (2021) Een 4680-cel meet ongeveer 46 mm bij 80 mm. Baazouzi et al.: ontwerp en productie van cilindrische cellen (2023) Dit zijn nominale maataanduidingen; de exacte afmetingen en toleranties staan in de specificatie van de afzonderlijke cel.

Aansluitlippen en stroomafname

De elektrodecoatings bevinden zich op metaalfolies die stroomcollectoren worden genoemd. De elektrische verbindingen tussen deze folies en de celpolen worden doorgaans aansluitlippen of tabs genoemd. Hun plaatsing bepaalt hoe ver de stroom door het folie moet lopen en waar elektrische weerstand warmte opwekt.

Een ontwerp met enkele plaatselijke aansluitlippen concentreert de stroomafname op die punten. Meerdere lippen, of verbindingen die langs de elektroderanden zijn verdeeld, verkorten de stroompaden door het folie. Li et al.: ontwerp van aansluitlippen en koeling van cilindrische cellen (2021) Ontwerpen die als “tabless” worden omschreven, hebben nog steeds elektrische verbindingen: de term beschrijft een verdeelde stroomafname in plaats van enkele afzonderlijke aansluitlippen. Baazouzi en collega's beschrijven verbindingen via de blootliggende randen van de stroomcollectorfolies. Baazouzi et al.: ontwerp en productie van cilindrische cellen (2023)

Warmte kan via de zijwand of de uiteinden worden afgevoerd, afhankelijk van welke oppervlakken met het koelsysteem zijn verbonden. In een gevalideerd model van de LG M50T 21700-cel stelden Li en collega's vast dat verdeelde stroomafname de warmteontwikkeling en interne temperatuurverschillen verminderde. In de ontlaadsimulaties bij 3C van het onderzoek bood een ontwerp met een doorlopende aansluitlip en geleidende zijkoeling de beste koelprestaties. In dat model werkte koeling van de zijkanten beter dan koeling van alleen de bodem. Li et al.: ontwerp van aansluitlippen en koeling van cilindrische cellen (2021)

Prismatische cellen

Prismatische cellen hebben een stijve rechthoekige behuizing. Baazouzi et al.: ontwerp en productie van cilindrische cellen (2023) Door hun vorm kunnen naburige cellen met de vlakke zijden tegenover elkaar worden geplaatst, met ruimte voor isolatie, ondersteuning en de gekozen koelopstelling. De celdikte, plaatsing van de polen en ruimte voor uitzetting bepalen de uiteindelijke assemblage.

Een gemeenschappelijke behuizing kan ook verschillende celchemieën ondersteunen. In de aankondiging van december 2025 over de eerste cellen uit Salzgitter beschreef PowerCo zijn Unified Cell als een gestandaardiseerde prismatische architectuur. Die eerste cellen gebruikten NMC-chemie; LFP zou later volgen. De eerste NMC-versie en de geplande LFP-versie laten zien hoe één fysieke architectuur verschillende elektrodematerialen kan herbergen. PowerCo: eerste cellen uit Salzgitter en Unified Cell-architectuur (2025)

Waar BYD Blade-cellen thuishoren

BYD's Blade-ontwerp is een lange, smalle prismatische cel en wordt in het onderzoek naar celvormen van Fraunhofer ISI tot die familie gerekend. Fraunhofer ISI: vormen van lithiumioncellen (2022) In BYD's SEAL-brochure uit 2024 beschrijft de fabrikant een reeks dunne, langwerpige cellen met LFP als kathodemateriaal. BYD Ierland: SEAL-brochure MY2024, Blade Battery

“Blade” duidt het ontwerp van BYD aan en LFP het kathodemateriaal. Cell-to-pack en cell-to-body beschrijven hoe cellen in de accu of de voertuigstructuur worden geïntegreerd.

Pouchcellen

Een pouchcel omsluit het elektrodepakket met gelamineerd folie dat een aluminium barrièrelaag en polymeerlagen bevat. Amerikaans ministerie van Energie: rapport over duurzame productie en circulaire economie (2023) Zonder stijve behuizing is de cel voor mechanische ondersteuning en bescherming meer afhankelijk van de omringende constructie. Fraunhofer ISI: vormen van lithiumioncellen (2022) Ook de afgedichte randen en aansluitlippen nemen ruimte rondom het elektrodepakket in. LG Energy Solution: assemblage van pouchcellen (2023)

LG Energy Solution beschrijft een productieproces voor pouchcellen waarbij gelamineerde elektrode-eenheden worden gestapeld, de aansluitlippen worden gelast en het geheel in een voorgevormde pouch wordt geplaatst. De cel wordt met elektrolyt gevuld en afgedicht. Een tijdelijk gasvak vangt gas op dat tijdens de formatie ontstaat; dit gas wordt vóór de definitieve afdichting verwijderd. LG Energy Solution: assemblage van pouchcellen (2023)

Ondersteuning, zwelling en druk

Ook nadat het formatiegas is verwijderd, verandert de celdikte tijdens het gebruik. Elektroden veranderen van volume bij het laden en ontladen. Een deel van de dikteverandering is omkeerbaar met de laadtoestand, terwijl veroudering blijvende uitzetting kan veroorzaken. De omringende constructie moet deze veranderingen opvangen en tegelijk het beoogde contact tussen de lagen en koeloppervlakken behouden.

Externe compressie is een manier om dat contact te regelen. De benodigde druk en de verandering daarvan bij het uitzetten hangen af van de cel en de inbouw. Meer druk is niet automatisch beter. In experimenten met commerciële pouchcellen van 60 Ah met NMC622/grafiet stelden Michelini en collega's vast dat de hogere geteste mechanische voorbelasting minder blijvende verdikking veroorzaakte, maar sneller capaciteitsverlies. Die resultaten ondersteunen het ontwerpen en valideren van een drukbereik voor de specifieke cel, in plaats van één compressie-eis voor alle pouchcellen vast te leggen. Michelini et al.: zwelling van pouchcellen bij verschillende voorbelasting (2023)

Een platte cel koelen

De brede zijden van een pouchcel bieden een groot contactoppervlak voor koeling. Warmte verplaatst zich echter anders langs de elektrodelagen dan er dwars doorheen. Metingen van Lin en collega's aan een volledig geladen commerciële LFP-pouchcel van 20 Ah gaven warmtegeleidingscoëfficiënten van ongeveer 26,6 W/(m·K) langs de lagen en 0,52 W/(m·K) dwars door de stapel: een verschil van ongeveer een factor 50. Dit richtingsafhankelijke gedrag helpt verklaren waarom celdikte, contactoppervlak en de plaats van koeloppervlakken allemaal van belang zijn. Lin et al.: richtingsafhankelijke warmtegeleiding in pouchcellen (2022)

Koeling via de aansluitlippen biedt een andere route. In experimenten met NMC-pouchcellen van 5 Ah stelden Hunt en collega's vast dat oppervlaktekoeling temperatuurverschillen tussen de elektrodelagen veroorzaakte, met een ongelijkmatige stroomverdeling tot gevolg. Tijdens cycli met ontladen bij 6C en laden bij 2C verloor de cel met oppervlaktekoeling sneller bruikbare capaciteit onder belasting dan de cel met koeling via de aansluitlippen, hoewel hun capaciteit bij lage stroom op vergelijkbare wijze afnam. Elke proef gebruikte één cel per koelopstelling; twee proeven op verschillende batterijcyclers leverden vergelijkbare resultaten op. Hunt et al.: oppervlaktekoeling en koeling via aansluitlippen bij pouchcellen (2016) Koelmiddelcircuits en temperatuurregeling in voertuigen worden behandeld in Thermisch beheer van de accu.

Wat verandert er als cellen groter worden?

Een grotere cel kan meer energie opslaan en het aantal afzonderlijke cellen voor een bepaalde accucapaciteit verminderen. Ook de stroomafname, warmtestroom en het aantal externe verbindingen veranderen.

Meer energie per cel tegenover een hogere dichtheid

In september 2024 beschreef Panasonic zijn 4680-cel als een cel met vijf keer de capaciteit van zijn 2170-cel. Panasonic Energy: ontwikkeling van de 4680 en capaciteitsvergelijking (2024) Op basis van de bovenstaande nominale afmetingen berekent EVKX een verhouding tussen de cilindervolumes van (46² × 80) / (21² × 70), oftewel ongeveer 5,5 keer. De capaciteitstoename gaat dus samen met een aanzienlijke toename van de celgrootte.

BMW's aankondiging van de iX5 in juni 2026 geeft een ander voorbeeld: cellen met een diameter van 46 mm en een hoogte van 120 mm, met dezelfde chemie als de 95 mm hoge cellen in de iX3. BMW schreef bijna 30% meer bruikbare energie per cel toe aan de grotere hoogte. BMW: aankondiging van de iX5 en afmetingen van cilindrische cellen (2026) Bij gelijke diameter neemt het nominale volume toe volgens de verhouding 120 / 95, oftewel ongeveer 26%.

Een vergelijking van de energiedichtheid vereist energie die op dezelfde basis is gemeten, gedeeld door het werkelijke celvolume of de celmassa. De berekeningen van het nominale volume hierboven plaatsen de capaciteitsclaims per cel in context.

Verbindingen en spanningsbewaking

Minder cellen gebruiken kan het aantal externe celverbindingen verminderen. De behoefte aan spanningsbewaking volgt echter uit de elektrische configuratie. Rechtstreeks parallel geschakelde cellen hebben dezelfde spanning. Een accumanagementsysteem meet zo'n parallelgroep daarom doorgaans als één positie in de serieschakeling.

Meerdere kleinere parallel geschakelde cellen vervangen door één grotere cel kan dus het fysieke aantal cellen verminderen zonder het aantal bewaakte spanningen te verlagen. In een antwoord op het TI E2E-ondersteuningsforum legt Texas Instruments-ingenieur Matt Sunna uit dat de bewakingsschakeling rechtstreeks parallel verbonden cellen als één grotere cel behandelt. Antwoord op het TI E2E-ondersteuningsforum: bewaking van parallelle celgroepen De plaatsing van temperatuursensoren is een afzonderlijke ontwerpkeuze.

Elektrische, thermische en ionische paden

Grotere celafmetingen kunnen de paden langs de stroomcollectorfolies of van het celinterieur naar een koeloppervlak verlengen. De plaatsing van aansluitlippen en de koelgeometrie richten zich op deze elektrische en thermische paden.

Het transport van lithiumionen vindt lokaal plaats door de met elektrolyt gevulde poriën en de separator, en binnen de deeltjes van het actieve materiaal. Een cel hoger of breder maken verlengt deze paden op zichzelf niet. De dikte van de elektrodecoating, de poriestructuur en de deeltjesafmetingen zijn bepalend. Een grotere behuizing en een dikkere coating zijn afzonderlijke ontwerpkeuzes; Celchemie en componenten legt de afwegingen bij elektroden uit.

Bescherming op celniveau

Stijve cilindrische en prismatische behuizingen kunnen overdrukventielen bevatten. Sommige cilindrische ontwerpen hebben ook een drukgestuurde stroomonderbreker (CID), die het elektrische pad onderbreekt, en een element met een positieve temperatuurcoëfficiënt (PTC), waarvan de weerstand bij opwarming stijgt. Pouchontwerpen kunnen gas afvoeren via een naad in de thermisch afgedichte behuizing. Een onderzoek dat werd gepresenteerd op NASA's batterijworkshop van 2021 beschrijft deze mechanismen en test cilindrische cellen zonder PTC-elementen. Dat laat zien waarom de aanwezige voorzieningen voor het specifieke celontwerp moeten worden gecontroleerd. Chung et al., NASA-batterijworkshop: veiligheidsvoorzieningen in cellen (2021)

De drie celvormen vergeleken

Accupakket en configuratie behandelt hoe cellen in een voertuigaccu worden verbonden, gekoeld en ondersteund; Accuveiligheid behandelt het beperken van de gevolgen van defecten.