Formaty ogniw akumulatorów samochodów elektrycznych: cylindryczne, pryzmatyczne i typu pouch

Ogniwa akumulatorów samochodów elektrycznych występują w trzech głównych formatach: cylindryczne w okrągłych metalowych obudowach, pryzmatyczne w prostokątnych metalowych obudowach oraz typu pouch, zamknięte w elastycznej folii laminowanej. Baazouzi i współautorzy: projektowanie i produkcja ogniw cylindrycznych (2023) Ich kształt i obudowa wpływają na sposób ułożenia ogniw, odprowadzanie ciepła oraz podparcie zapewniane przez konstrukcję akumulatora.

Ten rozdział wyjaśnia ich budowę fizyczną, rozwijając informacje o materiałach opisanych w rozdziale Chemia i komponenty ogniw.

Format ogniwa i budowa wewnętrzna

Wewnątrz ogniwa cienkie elektrody dodatnie i ujemne są oddzielone separatorem izolującym elektrycznie. Warstwy te tworzą powtarzalny układ, który może być zwijany lub układany w stos.

Zwijanie polega na nawijaniu ciągłych pasków elektrod i separatora w strukturę często nazywaną jelly roll. Ogniwa cylindryczne mają okrągły zwój. Obudowa pryzmatyczna może zawierać spłaszczone zwoje lub elektrody ułożone w stos. Baazouzi i współautorzy: projektowanie i produkcja ogniw cylindrycznych (2023) Przy układaniu w Z pojedyncze arkusze elektrod umieszcza się naprzemiennie po obu stronach separatora składanego harmonijkowo. Samsung SDI opisuje zwijanie i układanie w Z jako różne sposoby montażu tych samych podstawowych warstw i podkreśla znaczenie dokładnego wyrównania podczas zwijania, aby zapobiegać zwarciom wewnętrznym. Samsung SDI: montaż ogniw, zwijanie i układanie w Z (2026)

Obudowa i budowa wewnętrzna są więc oddzielnymi wyborami konstrukcyjnymi. „Pryzmatyczne” określa kształt zewnętrzny; nie mówi, czy elektrody wewnątrz są zwinięte, czy ułożone w stos. Format nie określa też chemii: LFP i NMC opisują materiały elektrod, natomiast określenia cylindryczne, pryzmatyczne i pouch dotyczą budowy fizycznej. PowerCo: pierwsze ogniwa z Salzgitter i architektura Unified Cell (2025)

Ogniwa cylindryczne

Ogniwo cylindryczne zamyka zwinięte elektrody w sztywnej metalowej obudowie. Baazouzi i współautorzy: projektowanie i produkcja ogniw cylindrycznych (2023) Obudowa nadaje mu określony kształt ułatwiający przenoszenie i montaż. Gdy cylindry ustawia się obok siebie, między ich zakrzywionymi powierzchniami pozostają wolne przestrzenie. Projektanci akumulatora mogą wykorzystać część tej przestrzeni na chłodzenie lub inne elementy.

Wymiary i nazewnictwo

Popularne oznaczenia rozmiaru opisują przybliżoną średnicę i wysokość. Ogniwo 18650 ma około 18 mm średnicy i 65 mm wysokości. Panasonic: wymiary ogniw 18650 (2012) Ogniwo 21700, nazywane też 2170, mierzy około 21 mm na 70 mm. Panasonic: oznaczenia rozmiarów ogniw cylindrycznych (2021) Ogniwo 4680 mierzy około 46 mm na 80 mm. Baazouzi i współautorzy: projektowanie i produkcja ogniw cylindrycznych (2023) Są to wymiary nominalne; dokładne wymiary i tolerancje podaje specyfikacja konkretnego ogniwa.

Języczki przyłączeniowe i odbiór prądu

Powłoki elektrod znajdują się na metalowych foliach nazywanych kolektorami prądu. Połączenia elektryczne między tymi foliami a zaciskami ogniwa określa się zwykle jako języczki przyłączeniowe. Ich rozmieszczenie decyduje o tym, jak daleko prąd musi płynąć wzdłuż folii i gdzie opór elektryczny wytwarza ciepło.

Konstrukcja z kilkoma miejscowymi języczkami skupia odbiór prądu w tych punktach. Większa liczba języczków lub połączenia rozłożone wzdłuż krawędzi elektrod skracają drogi przepływu przez folię. Li i współautorzy: konstrukcja języczków i chłodzenie ogniw cylindrycznych (2021) Konstrukcje określane jako „tabless”, czyli bez języczków, nadal mają połączenia elektryczne: termin oznacza rozproszony odbiór prądu zamiast kilku oddzielnych języczków. Baazouzi i współautorzy opisują połączenia wykonane przez odsłonięte krawędzie folii kolektorów prądu. Baazouzi i współautorzy: projektowanie i produkcja ogniw cylindrycznych (2023)

Ciepło może być odprowadzane przez ściankę boczną lub powierzchnie czołowe, zależnie od tego, które powierzchnie są połączone z układem chłodzenia. W zweryfikowanym modelu ogniwa LG M50T 21700 Li i współautorzy stwierdzili, że rozproszony odbiór prądu zmniejszał wydzielanie ciepła i wewnętrzne różnice temperatur. W symulacjach rozładowania przy 3C zastosowanych w badaniu najlepsze chłodzenie zapewniała konstrukcja z ciągłym języczkiem i przewodzeniowym chłodzeniem bocznym. W tym modelu chłodzenie boków było skuteczniejsze niż chłodzenie samej podstawy. Li i współautorzy: konstrukcja języczków i chłodzenie ogniw cylindrycznych (2021)

Ogniwa pryzmatyczne

Ogniwa pryzmatyczne mają sztywną prostokątną obudowę. Baazouzi i współautorzy: projektowanie i produkcja ogniw cylindrycznych (2023) Ich kształt pozwala ustawić sąsiednie ogniwa płaskimi powierzchniami naprzeciw siebie, pozostawiając miejsce na izolację, podparcie i wybrany układ chłodzenia. Grubość ogniwa, położenie zacisków i zapas miejsca na rozszerzanie wpływają na końcowy układ montażowy.

Wspólna obudowa może również mieścić ogniwa o różnej chemii. W komunikacie z grudnia 2025 o pierwszych ogniwach wyprodukowanych w Salzgitter PowerCo opisało Unified Cell jako ujednoliconą architekturę pryzmatyczną. Pierwsze ogniwa wykorzystywały chemię NMC, a LFP miało pojawić się później. Początkowa wersja NMC i planowana wersja LFP pokazują, jak wspólna architektura fizyczna może pomieścić różne materiały elektrod. PowerCo: pierwsze ogniwa z Salzgitter i architektura Unified Cell (2025)

Gdzie pasują ogniwa BYD Blade?

Blade firmy BYD to długa, wąska konstrukcja ogniwa pryzmatycznego, zaliczona do tej rodziny w badaniu formatów ogniw Fraunhofer ISI. Fraunhofer ISI: formaty ogniw litowo-jonowych (2022) W broszurze modelu SEAL z 2024 roku BYD opisuje układ cienkich, wydłużonych ogniw wykorzystujących LFP jako materiał katody. BYD Irlandia: broszura SEAL MY2024, Blade Battery

„Blade” określa konstrukcję BYD, a LFP materiał katody. Cell-to-pack i cell-to-body opisują sposób integracji ogniw z akumulatorem lub strukturą pojazdu.

Ogniwa typu pouch

Ogniwo typu pouch zamyka zespół elektrod w laminowanej folii zawierającej aluminiową warstwę barierową i warstwy polimerowe. Departament Energii USA: raport o zrównoważonej produkcji i gospodarce obiegu zamkniętego (2023) Bez sztywnej obudowy ogniwo w większym stopniu polega na otaczającej konstrukcji w zakresie podparcia mechanicznego i ochrony. Fraunhofer ISI: formaty ogniw litowo-jonowych (2022) Zgrzane krawędzie i wyprowadzenia zacisków również zajmują miejsce wokół zespołu elektrod. LG Energy Solution: montaż ogniw pouch (2023)

LG Energy Solution opisuje proces produkcji ogniwa pouch, w którym laminowane zespoły elektrod są układane w stos, wyprowadzenia są zgrzewane, a całość umieszczana w uformowanej saszetce. Ogniwo napełnia się elektrolitem i zamyka. Tymczasowa kieszeń gazowa mieści gaz wytwarzany podczas formowania; usuwa się go przed ostatecznym uszczelnieniem. LG Energy Solution: montaż ogniw pouch (2023)

Podparcie, pęcznienie i nacisk

Po usunięciu gazu powstającego podczas formowania grubość ogniwa nadal zmienia się w czasie eksploatacji. Elektrody zmieniają objętość podczas ładowania i rozładowywania. Część zmian grubości jest odwracalna wraz ze zmianą stanu naładowania, natomiast starzenie może powodować trwałe rozszerzenie. Otaczająca konstrukcja musi uwzględniać te zmiany, zachowując przewidziany kontakt między warstwami i powierzchniami chłodzącymi.

Zewnętrzny docisk jest jednym ze sposobów kontrolowania tego kontaktu. Wymagany nacisk i jego zmiany w miarę rozszerzania ogniwa zależą od konkretnego ogniwa i jego montażu. Większy nacisk nie jest automatycznie lepszy. W doświadczeniach z komercyjnymi ogniwami pouch 60 Ah o chemii NMC622/grafit Michelini i współautorzy stwierdzili, że wyższy z badanych docisków wstępnych powodował mniejszy trwały przyrost grubości, ale szybszą utratę pojemności. Wyniki te przemawiają za projektowaniem i weryfikowaniem zakresu nacisku dla konkretnego ogniwa zamiast ustalania jednego wymogu docisku dla wszystkich ogniw pouch. Michelini i współautorzy: pęcznienie ogniw pouch przy różnym docisku wstępnym (2023)

Chłodzenie płaskiego ogniwa

Szerokie powierzchnie ogniwa pouch zapewniają dużą powierzchnię kontaktu do chłodzenia. Ciepło przemieszcza się jednak inaczej wzdłuż warstw elektrod niż w poprzek nich. Pomiary Lina i współautorów na w pełni naładowanym komercyjnym ogniwie pouch LFP 20 Ah wykazały przewodność cieplną około 26,6 W/(m·K) wzdłuż warstw i 0,52 W/(m·K) przez stos: różnicę około 50-krotną. Ta zależność od kierunku pomaga wyjaśnić, dlaczego istotne są grubość ogniwa, powierzchnia kontaktu i położenie powierzchni chłodzących. Lin i współautorzy: kierunkowa przewodność cieplna ogniw pouch (2022)

Chłodzenie przez języczki przyłączeniowe zapewnia inną drogę odprowadzania ciepła. W doświadczeniach z ogniwami pouch NMC 5 Ah Hunt i współautorzy stwierdzili, że chłodzenie powierzchniowe tworzyło różnice temperatur między warstwami elektrod, powodując nierównomierny rozkład prądu. Podczas cykli z rozładowaniem przy 6C i ładowaniem przy 2C ogniwo chłodzone powierzchniowo szybciej traciło pojemność użyteczną pod obciążeniem niż ogniwo chłodzone przez języczki, choć ich pojemność mierzona przy małym prądzie zmniejszała się podobnie. W każdej próbie użyto jednego ogniwa na układ chłodzenia, a porównywalne wyniki uzyskano w dwóch próbach na różnych stanowiskach do cyklicznego testowania akumulatorów. Hunt i współautorzy: chłodzenie ogniw pouch przez powierzchnie i języczki (2016) Obiegi płynu chłodzącego i regulację temperatury w pojazdach opisuje rozdział Zarządzanie temperaturą akumulatora.

Co się zmienia, gdy ogniwa stają się większe?

Większe ogniwo może magazynować więcej energii i zmniejszyć liczbę oddzielnych ogniw potrzebnych do uzyskania określonej pojemności akumulatora. Zmienia też sposób odbioru prądu, przepływ ciepła i liczbę połączeń zewnętrznych.

Więcej energii na ogniwo a wyższa gęstość energii

We wrześniu 2024 Panasonic opisał swoje ogniwo 4680 jako mające pięciokrotnie większą pojemność niż ogniwo 2170. Panasonic Energy: rozwój ogniwa 4680 i porównanie pojemności (2024) Na podstawie powyższych wymiarów nominalnych EVKX oblicza stosunek objętości walców jako (46² × 80) / (21² × 70), czyli około 5,5 razy. Wzrostowi pojemności towarzyszy więc znaczny wzrost rozmiaru ogniwa.

Zapowiedź BMW iX5 z czerwca 2026 stanowi kolejny przykład: ogniwa o średnicy 46 mm i wysokości 120 mm, wykorzystujące tę samą chemię co ogniwa o wysokości 95 mm w iX3. BMW przypisało zwiększonej wysokości niemal 30% więcej energii użytecznej na ogniwo. BMW: zapowiedź iX5 i wymiary ogniw cylindrycznych (2026) Przy jednakowej średnicy objętość nominalna rośnie w stosunku 120 / 95, czyli o około 26%.

Porównanie gęstości energii wymaga energii zmierzonej na tej samej podstawie, podzielonej przez rzeczywistą objętość lub masę ogniwa. Powyższe obliczenia objętości nominalnej pozwalają właściwie ocenić deklaracje pojemności pojedynczego ogniwa.

Połączenia i monitorowanie napięcia

Zastosowanie mniejszej liczby ogniw może zmniejszyć liczbę zewnętrznych połączeń między nimi. Wymagania dotyczące monitorowania napięcia zależą jednak od układu elektrycznego. Ogniwa połączone bezpośrednio równolegle mają wspólne napięcie, dlatego system zarządzania akumulatorem zwykle mierzy taką grupę równoległą jako jedną pozycję w szeregu.

Zastąpienie kilku mniejszych ogniw równoległych jednym większym może więc zmniejszyć fizyczną liczbę ogniw bez zmniejszania liczby monitorowanych napięć. W odpowiedzi na forum wsparcia TI E2E inżynier Texas Instruments Matt Sunna wyjaśnia, że układ monitorujący traktuje ogniwa połączone bezpośrednio równolegle jako jedno większe ogniwo. Odpowiedź na forum wsparcia TI E2E: monitorowanie równoległych grup ogniw Rozmieszczenie czujników temperatury jest oddzielną decyzją projektową.

Drogi przepływu prądu, ciepła i jonów

Zwiększanie wymiarów ogniwa może wydłużyć drogi przepływu wzdłuż folii kolektorów prądu lub od wnętrza ogniwa do powierzchni chłodzącej. Rozmieszczenie języczków i geometria chłodzenia pozwalają kształtować te drogi elektryczne i cieplne.

Transport jonów litu zachodzi lokalnie przez pory wypełnione elektrolitem i separator oraz wewnątrz cząstek materiału aktywnego. Zwiększenie wysokości lub szerokości ogniwa samo w sobie nie wydłuża tych dróg. Decydują o nich grubość powłoki elektrody, struktura porów i wymiary cząstek. Większa obudowa i grubsza powłoka są oddzielnymi wyborami konstrukcyjnymi; rozdział Chemia i komponenty ogniw wyjaśnia kompromisy związane z elektrodami.

Zabezpieczenia na poziomie ogniwa

Sztywne obudowy cylindryczne i pryzmatyczne mogą zawierać zawory upustowe ciśnienia. Niektóre konstrukcje cylindryczne mają też uruchamiany ciśnieniem przerywacz prądu (CID), który rozłącza obwód, oraz element o dodatnim współczynniku temperaturowym (PTC), którego rezystancja rośnie wraz z temperaturą. Konstrukcje pouch mogą uwalniać gaz przez szew w zgrzewanej termicznie obudowie. Badanie przedstawione podczas warsztatów NASA poświęconych akumulatorom w 2021 roku opisuje te mechanizmy i testuje ogniwa cylindryczne bez elementów PTC, pokazując, dlaczego trzeba sprawdzić zabezpieczenia zastosowane w konkretnym projekcie ogniwa. Chung i współautorzy, warsztaty NASA o akumulatorach: zabezpieczenia ogniw (2021)

Porównanie trzech formatów

Rozdział Pakiet akumulatora i konfiguracja opisuje łączenie, chłodzenie i podpieranie ogniw w akumulatorze pojazdu; Bezpieczeństwo akumulatora omawia ograniczanie skutków awarii.