Battericellformat i elbilar: cylindriska celler, prismatiska celler och påsceller

Battericeller för elbilar finns i tre huvudformat: cylindriska celler i runda metallhöljen, prismatiska celler i rektangulära metallhöljen och påsceller förseglade i flexibel laminatfolie. Baazouzi m.fl.: konstruktion och tillverkning av cylindriska celler (2023) Formen och höljet påverkar hur cellerna passar ihop, hur värme leds bort och hur batteriet ger dem stöd.

Det här kapitlet förklarar den fysiska uppbyggnaden och bygger vidare på materialen som beskrivs i Cellkemi och komponenter.

Cellformat och invändig uppbyggnad

Inuti en cell skiljer en elektriskt isolerande separator de tunna positiva och negativa elektroderna åt. Dessa lager bildar en upprepad struktur som kan lindas eller staplas.

Vid lindning rullas sammanhängande elektrod- och separatorremsor till en struktur som ofta kallas ”jelly roll”. Cylindriska celler använder en rund lindning. Ett prismatiskt hölje kan innehålla tillplattade lindningar eller staplade elektroder. Baazouzi m.fl.: konstruktion och tillverkning av cylindriska celler (2023) Vid Z-stapling placeras enskilda elektrodark omväxlande på var sin sida av en separator som viks fram och tillbaka. Samsung SDI beskriver lindning och Z-stapling som olika sätt att sätta samman samma grundläggande lager och betonar noggrann inriktning under lindningen för att förhindra interna kortslutningar. Samsung SDI: cellmontering, lindning och Z-stapling (2026)

Höljet och den invändiga uppbyggnaden är därför separata konstruktionsval. ”Prismatisk” beskriver den yttre formen, men säger inte om elektroderna inuti är lindade eller staplade. Formatet anger inte heller kemin: LFP och NMC beskriver elektrodmaterial, medan cylindrisk, prismatisk och påscell beskriver fysisk uppbyggnad. PowerCo: de första cellerna från Salzgitter och Unified Cell-arkitekturen (2025)

Cylindriska celler

En cylindrisk cell omsluter sina lindade elektroder med ett styvt metallhölje. Baazouzi m.fl.: konstruktion och tillverkning av cylindriska celler (2023) Höljet ger cellen en bestämd form för hantering och montering. När cylindrar placeras tillsammans blir det mellanrum mellan de krökta ytorna. Batterikonstruktörer kan använda en del av utrymmet för kylning eller andra komponenter.

Storlekar och beteckningar

Vanliga storleksbeteckningar anger ungefärlig diameter och höjd. En 18650-cell är cirka 18 mm i diameter och 65 mm hög. Panasonic: mått på 18650-celler (2012) En 21700-cell, även kallad 2170, mäter ungefär 21 mm gånger 70 mm. Panasonic: storleksbeteckningar för cylindriska celler (2021) En 4680-cell mäter ungefär 46 mm gånger 80 mm. Baazouzi m.fl.: konstruktion och tillverkning av cylindriska celler (2023) Detta är nominella storleksangivelser; exakta mått och toleranser framgår av specifikationen för den enskilda cellen.

Anslutningsflikar och strömuppsamling

Elektrodbeläggningarna ligger på metallfolier som kallas strömkollektorer. De elektriska förbindelserna mellan folierna och cellens poler kallas ofta anslutningsflikar. Placeringen avgör hur långt strömmen måste färdas längs folien och var elektriskt motstånd alstrar värme.

En konstruktion med ett fåtal lokala flikar koncentrerar strömuppsamlingen till dessa punkter. Flera flikar, eller anslutningar fördelade längs elektrodkanterna, förkortar strömvägarna genom folien. Li m.fl.: anslutningsflikar och kylning i cylindriska celler (2021) Konstruktioner som beskrivs som ”tabless” har fortfarande elektriska anslutningar: termen avser fördelad strömuppsamling i stället för ett fåtal separata flikar. Baazouzi och kollegor dokumenterar anslutningar via strömkollektorfoliernas exponerade kanter. Baazouzi m.fl.: konstruktion och tillverkning av cylindriska celler (2023)

Värme kan ledas bort genom sidoväggen eller ändarna, beroende på vilka ytor som är anslutna till kylsystemet. I en validerad modell av LG M50T 21700-cellen fann Li och kollegor att fördelad strömuppsamling minskade värmeutvecklingen och de interna temperaturskillnaderna. I studiens simuleringar med 3C-urladdning gav en konstruktion med sammanhängande flik och sidokylning genom värmeledning bäst kylning. I den modellen var kylning av sidorna effektivare än kylning enbart av botten. Li m.fl.: anslutningsflikar och kylning i cylindriska celler (2021)

Prismatiska celler

Prismatiska celler använder ett styvt, rektangulärt hölje. Baazouzi m.fl.: konstruktion och tillverkning av cylindriska celler (2023) Formen gör att intilliggande celler kan placeras med plana sidor mot varandra, med utrymme avsatt för isolering, stöd och den valda kylningen. Celltjocklek, polplacering och expansionsutrymme påverkar den slutliga sammansättningen.

Ett gemensamt hölje kan också rymma olika kemier. När PowerCo i december 2025 presenterade de första cellerna som tillverkats i Salzgitter beskrev företaget sin Unified Cell som en standardiserad prismatisk arkitektur. De första cellerna använde NMC-kemi, och LFP planerades följa senare. Den första NMC-versionen och den planerade LFP-versionen visar hur en gemensam fysisk arkitektur kan rymma olika elektrodmaterial. PowerCo: de första cellerna från Salzgitter och Unified Cell-arkitekturen (2025)

Var BYD Blade passar in

BYD:s Blade-konstruktion är en lång, smal prismatisk cell, klassificerad i den familjen i Fraunhofer ISI:s studie av cellformat. Fraunhofer ISI: format för litiumjonceller (2022) I BYD:s SEAL-broschyr från 2024 beskriver tillverkaren en uppsättning tunna, avlånga celler med LFP som katodmaterial. BYD Irland: SEAL MY2024-broschyr, Blade Battery

”Blade” betecknar BYD:s konstruktion och LFP dess katodmaterial. Cell-to-pack och cell-to-body beskriver hur cellerna integreras i batteriet eller fordonsstrukturen.

Påsceller

En påscell omsluter elektrodpaketet med laminatfolie som innehåller ett barriärskikt av aluminium och polymerskikt. USA:s energidepartement: rapport om hållbar tillverkning och cirkulär ekonomi (2023) Utan ett styvt hölje är cellen mer beroende av den omgivande konstruktionen för mekaniskt stöd och skydd. Fraunhofer ISI: format för litiumjonceller (2022) De förseglade kanterna och anslutningsledarna tar också plats runt elektrodpaketet. LG Energy Solution: montering av påsceller (2023)

LG Energy Solution beskriver en monteringsprocess för påsceller där laminerade elektrodenheter staplas, anslutningsledarna svetsas fast och paketet placeras i en formad påse. Cellen fylls med elektrolyt och förseglas. En tillfällig gasficka tar emot gas som bildas under formeringen; gasen avlägsnas före den slutliga förseglingen. LG Energy Solution: montering av påsceller (2023)

Stöd, svällning och tryck

Efter att formeringsgasen har avlägsnats fortsätter cellens tjocklek att förändras under användning. Elektroderna ändrar volym när cellen laddas och urladdas. Vissa tjockleksförändringar är reversibla med laddningsnivån, medan åldrande kan ge permanent expansion. Den omgivande strukturen måste tillåta förändringarna samtidigt som avsedd kontakt mellan lager och kylytor upprätthålls.

Yttre kompression är ett sätt att styra kontakten. Nödvändigt tryck och hur det ändras när cellen expanderar beror på cellen och dess installation. Högre tryck är inte automatiskt bättre. I försök med kommersiella 60 Ah NMC622/grafit-påsceller fann Michelini och kollegor att den högre testade förspänningen gav mindre permanent förtjockning men snabbare kapacitetsförlust. Resultaten stödjer att ett tryckintervall bör utformas och valideras för den aktuella cellen i stället för att ange ett gemensamt kompressionskrav för alla påsceller. Michelini m.fl.: svällning i påsceller vid olika mekanisk förbelastning (2023)

Kylning av en platt cell

Påscellens breda sidor ger en stor kontaktyta för kylning. Värme leds dock olika längs elektrodlagren och tvärs igenom dem. Lin och kollegor mätte en kommersiell 20 Ah LFP-påscell vid full laddning och fick värmeledningsförmågor på cirka 26,6 W/(m·K) längs lagren och 0,52 W/(m·K) genom stapeln: en skillnad på ungefär 50 gånger. Riktningsberoendet hjälper till att förklara varför celltjocklek, kontaktyta och kylytornas placering spelar roll. Lin m.fl.: riktningsberoende värmeledningsförmåga i påsceller (2022)

Kylning via anslutningsflikarna ger en annan värmeväg. I försök med 5 Ah NMC-påsceller fann Hunt och kollegor att ytkylning skapade temperaturskillnader mellan elektrodlagren och därmed ojämn strömfördelning. Under cykling med 6C-urladdning och 2C-laddning förlorade den ytkylda cellen användbar kapacitet under belastning snabbare än den flikkylda cellen, trots att deras kapacitet mätt vid låg urladdningshastighet minskade ungefär lika mycket. Varje försöksomgång använde en cell per kylarrangemang, och två omgångar på olika battericyklare gav jämförbara resultat. Hunt m.fl.: kylning av påsceller via ytor och anslutningsflikar (2016) Fordonets kylvätskekretsar och temperaturreglering behandlas i Batteriets temperaturhantering.

Vad förändras när cellerna blir större?

En större cell kan lagra mer energi och minska antalet separata celler som behövs för en viss batterikapacitet. Den förändrar också strömuppsamling, värmeflöde och antalet yttre anslutningar.

Mer energi per cell och högre energitäthet

I september 2024 beskrev Panasonic sin 4680-cell som en cell med fem gånger kapaciteten hos sin 2170-cell. Panasonic Energy: utveckling av 4680 och kapacitetsjämförelse (2024) Med de nominella måtten ovan beräknar EVKX förhållandet mellan cylindervolymerna till (46² × 80) / (21² × 70), eller ungefär 5,5 gånger. Kapacitetsökningen åtföljs alltså av en betydande ökning av cellstorleken.

BMW:s presentation av iX5 i juni 2026 ger ett annat exempel: celler med 46 mm diameter och 120 mm höjd, med samma kemi som de 95 mm höga cellerna i iX3. BMW tillskrev den ökade höjden nästan 30% mer användbar energi per cell. BMW: presentation av iX5 och mått på cylindriska celler (2026) Vid samma diameter ökar den nominella volymen i förhållandet 120 / 95, eller med ungefär 26%.

En jämförelse av energitäthet kräver energi uppmätt på samma grund, dividerad med cellens faktiska volym eller massa. Beräkningarna av nominell volym ovan sätter uppgifterna om kapacitet per cell i perspektiv.

Anslutningar och spänningsövervakning

Färre celler kan minska antalet yttre cellanslutningar. Behovet av spänningsövervakning följer däremot den elektriska kopplingen. Direkt parallellkopplade celler har samma spänning, så batterihanteringssystemet mäter normalt parallellgruppen som en position i seriekopplingen.

Att ersätta flera mindre parallellkopplade celler med en större kan därför minska det fysiska cellantalet utan att minska antalet övervakade spänningar. I ett svar på supportforumet TI E2E förklarar Texas Instruments-ingenjören Matt Sunna att övervakningskretsen behandlar direkt parallellkopplade celler som en större cell. Svar i TI E2E-supportforumet: övervakning av parallellkopplade cellgrupper Temperatursensorernas placering är ett separat konstruktionsval.

Elektriska, termiska och joniska transportvägar

Större celldimensioner kan förlänga vägarna längs strömkollektorfolierna eller från cellens inre till en kylyta. Flikarnas placering och kylgeometrin påverkar dessa elektriska och termiska vägar.

Litiumjoner transporteras lokalt genom elektrolytfyllda porer och separatorn samt inuti partiklarna av aktivt material. Att göra en cell högre eller bredare förlänger inte i sig dessa vägar. De styrs av elektrodbeläggningens tjocklek, porstrukturen och partikeldimensionerna. Ett större hölje och en tjockare beläggning är separata konstruktionsval; Cellkemi och komponenter förklarar avvägningarna i elektrodutformningen.

Skydd på cellnivå

Styva cylindriska och prismatiska höljen kan innehålla tryckavlastningsventiler. Vissa cylindriska konstruktioner har också en tryckstyrd strömbrytande anordning (CID), som bryter den elektriska vägen, och ett element med positiv temperaturkoefficient (PTC), vars resistans ökar när det värms upp. Påskonstruktioner kan släppa ut gas genom en skarv i det värmeförseglade höljet. En studie som presenterades vid NASA:s batteriworkshop 2021 beskriver mekanismerna och testar cylindriska celler utan PTC-element. Det visar varför de installerade skyddsanordningarna måste kontrolleras för den aktuella cellkonstruktionen. Chung m.fl., NASA:s batteriworkshop: säkerhetsanordningar i celler (2021)

Jämförelse av de tre formaten

Batteripaket och konfiguration beskriver hur celler kopplas samman, kyls och får stöd i ett fordonsbatteri; Batterisäkerhet behandlar begränsning av fel och deras följder.