Sähköauton akkukennojen muodot: sylinteri-, prisma- ja pussikennot

Sähköautojen akkukennoilla on kolme päämuotoa: sylinterikennot pyöreissä metallikoteloissa, prismakennot suorakulmaisissa metallikoteloissa ja pussikennot, jotka on suljettu joustavaan laminoituun kalvoon. Baazouzi ym.: sylinterikennojen suunnittelu ja valmistus (2023) Kennon muoto ja kotelo vaikuttavat siihen, miten kennot sopivat yhteen, miten lämpö poistuu kennosta ja miten akku tukee kennoja.

Tässä luvussa käsitellään tätä fyysistä rakennetta luvussa Kennokemia ja komponentit kuvattujen materiaalien pohjalta.

Kennon muoto ja sisäinen rakenne

Kennon sisällä ohuet positiiviset ja negatiiviset elektrodit erotetaan toisistaan sähköä eristävällä erottimella. Nämä kerrokset muodostavat toistuvan rakenteen, joka voidaan käämiä tai pinota.

Kääminnässä jatkuvat elektrodi- ja erotinnauhat kierretään rullaksi, jota kutsutaan usein nimellä jelly roll. Sylinterikennoissa käytetään pyöreää käämiä. Prismakotelossa voi olla litistettyjä käämejä tai pinottuja elektrodeja. Baazouzi ym.: sylinterikennojen suunnittelu ja valmistus (2023) Z-pinoamisessa yksittäiset elektrodilevyt asetetaan vuorotellen edestakaisin taitetun erottimen eri puolille. Samsung SDI kuvaa käämintää ja Z-pinoamista eri tavoiksi koota samat olennaiset kerrokset ja korostaa tarkkaa kohdistusta kääminnän aikana sisäisten oikosulkujen ehkäisemiseksi. Samsung SDI: kennojen kokoonpano, käämintä ja Z-pinoaminen (2026)

Kotelo ja sisäinen rakenne ovat siis erillisiä suunnitteluvalintoja. ”Prisma” kuvaa ulkomuotoa eikä kerro, ovatko sisällä olevat elektrodit käämittyjä vai pinottuja. Muoto ei myöskään määritä kemiaa: LFP ja NMC kuvaavat elektrodimateriaaleja, kun taas sylinteri-, prisma- ja pussikenno kuvaavat fyysistä rakennetta. PowerCo: ensimmäiset Salzgitterin kennot ja Unified Cell -arkkitehtuuri (2025)

Sylinterikennot

Sylinterikennon käämityt elektrodit ovat jäykässä metallikotelossa. Baazouzi ym.: sylinterikennojen suunnittelu ja valmistus (2023) Kotelo antaa kennolle määrätyn muodon käsittelyä ja kokoonpanoa varten. Kun sylintereitä asetetaan vierekkäin, niiden kaarevien pintojen väliin jää tilaa. Akun suunnittelijat voivat käyttää osan tästä tilasta jäähdytykseen tai muille komponenteille.

Koot ja nimeäminen

Yleiset kokomerkinnät kuvaavat likimääräistä halkaisijaa ja korkeutta. 18650-kennon halkaisija on noin 18 mm ja korkeus 65 mm. Panasonic: 18650-kennon mitat (2012) 21700-kenno, jota kutsutaan myös 2170-kennoksi, on mitoiltaan noin 21 mm × 70 mm. Panasonic: sylinterikennojen kokomerkinnät (2021) 4680-kennon mitat ovat noin 46 mm × 80 mm. Baazouzi ym.: sylinterikennojen suunnittelu ja valmistus (2023) Nämä ovat nimellisiä kokokuvauksia; tarkat mitat ja toleranssit löytyvät kyseisen kennon teknisistä tiedoista.

Liitosliuskat ja virran kerääminen

Elektrodien pinnoitteet ovat metallikalvoilla, joita kutsutaan virrankeräimiksi. Näiden kalvojen ja kennon napojen välisiä sähköliitäntöjä kutsutaan yleensä liitosliuskoiksi. Niiden sijainti määrittää, kuinka pitkän matkan virran on kuljettava kalvoa pitkin ja missä sähkövastus tuottaa lämpöä.

Muutamaan paikalliseen liitosliuskaan perustuva rakenne keskittää virran keräämisen näihin kohtiin. Useat liuskat tai elektrodien reunoille jaetut liitännät lyhentävät virtareittejä kalvossa. Li ym.: sylinterikennojen liitosliuskojen suunnittelu ja jäähdytys (2021) Myös ”tabless”-rakenteissa eli liuskattomiksi kutsutuissa rakenteissa on sähköliitännät: termi tarkoittaa hajautettua virran keräämistä muutamien erillisten liitosliuskojen sijaan. Baazouzi ja kollegat kuvaavat liitäntöjä, jotka on tehty virrankeräinkalvojen paljaiden reunojen kautta. Baazouzi ym.: sylinterikennojen suunnittelu ja valmistus (2023)

Lämpö voi poistua sivuseinämän tai päätyjen kautta sen mukaan, mitkä pinnat on liitetty jäähdytysjärjestelmään. LG M50T 21700 -kennon validoidussa mallissa Li ja kollegat havaitsivat hajautetun virran keräämisen vähentävän lämmöntuottoa ja kennon sisäisiä lämpötilaeroja. Tutkimuksen 3C-purkusimulaatioissa jatkuvaan liitosliuskaan ja lämpöä johtavaan sivujäähdytykseen perustuva rakenne jäähdytti tehokkaimmin. Tässä mallissa sivujen jäähdyttäminen oli tehokkaampaa kuin pelkän pohjan jäähdyttäminen. Li ym.: sylinterikennojen liitosliuskojen suunnittelu ja jäähdytys (2021)

Prismakennot

Prismakennoissa on jäykkä suorakulmainen kotelo. Baazouzi ym.: sylinterikennojen suunnittelu ja valmistus (2023) Muoto mahdollistaa vierekkäisten kennojen sijoittamisen tasopinnat vastakkain siten, että tilaa varataan eristykselle, tuennalle ja valitulle jäähdytysratkaisulle. Kennon paksuus, napojen sijainti ja laajenemistila vaikuttavat lopulliseen kokoonpanoon.

Yhteinen kotelorakenne voi soveltua myös eri kemioille. Joulukuussa 2025 julkaistussa tiedotteessaan Salzgitterissä valmistetuista ensimmäisistä kennoista PowerCo kuvasi Unified Cell -kennoaan standardoiduksi prisma-arkkitehtuuriksi. Ensimmäisissä kennoissa käytettiin NMC-kemiaa, ja LFP:n oli tarkoitus seurata myöhemmin. Ensimmäinen NMC-versio ja suunniteltu LFP-versio havainnollistavat, miten yhteinen fyysinen rakenne voi sopia eri elektrodimateriaaleille. PowerCo: ensimmäiset Salzgitterin kennot ja Unified Cell -arkkitehtuuri (2025)

Mihin BYD:n Blade-kennot kuuluvat?

BYD:n Blade on pitkä ja kapea prismakennorakenne, jonka Fraunhofer ISI luokittelee tähän kennoperheeseen kennomuotoja käsittelevässä tutkimuksessaan. Fraunhofer ISI: litiumionikennojen muodot (2022) Vuoden 2024 SEAL-esitteessään BYD kuvaa ohuiden, pitkänomaisten kennojen ryhmää, jossa katodimateriaalina käytetään LFP:tä. BYD Irlanti: SEAL MY2024 -esite, Blade Battery

”Blade” tarkoittaa BYD:n rakennetta ja LFP sen katodimateriaalia. Cell-to-pack ja cell-to-body kuvaavat sitä, miten kennot integroidaan akkuun tai ajoneuvon rakenteeseen.

Pussikennot

Pussikennossa elektrodirakenne suljetaan laminoituun kalvoon, jossa on alumiininen suojakerros ja polymeerikerroksia. Yhdysvaltain energiaministeriö: kestävän valmistuksen ja kiertotalouden raportti (2023) Ilman jäykkää koteloa kenno tarvitsee enemmän mekaanista tukea ja suojaa ympäröivältä rakenteelta. Fraunhofer ISI: litiumionikennojen muodot (2022) Myös suljetut reunat ja napojen liitosliuskat vievät tilaa elektrodirakenteen ympäriltä. LG Energy Solution: pussikennojen kokoonpano (2023)

LG Energy Solution kuvaa pussikennon valmistusprosessia, jossa laminoidut elektrodiyksiköt pinotaan, liitosliuskat hitsataan ja kokonaisuus asetetaan muotoiltuun pussiin. Kenno täytetään elektrolyytillä ja suljetaan. Väliaikainen kaasutasku kerää muodostusvaiheessa syntyvän kaasun, joka poistetaan ennen lopullista sulkemista. LG Energy Solution: pussikennojen kokoonpano (2023)

Tuenta, turpoaminen ja paine

Muodostuskaasun poistamisen jälkeenkin kennon paksuus muuttuu käytön aikana. Elektrodien tilavuus muuttuu kennon latautuessa ja purkautuessa. Osa paksuuden muutoksesta palautuu varaustilan mukana, kun taas ikääntyminen voi aiheuttaa pysyvää laajenemista. Ympäröivän rakenteen on sallittava nämä muutokset ja samalla säilytettävä suunniteltu kosketus kerrosten ja jäähdytyspintojen välillä.

Ulkoinen puristus on yksi tapa hallita tätä kosketusta. Tarvittava paine ja sen muuttuminen kennon laajetessa riippuvat kennosta ja sen asennuksesta. Suurempi paine ei automaattisesti ole parempi. Kaupallisilla 60 Ah:n NMC622/grafiitti-pussikennoilla tehdyissä kokeissa Michelini ja kollegat havaitsivat, että suurempi testattu esikuormitus vähensi pysyvää paksuuntumista mutta nopeutti kapasiteetin heikkenemistä. Tulokset tukevat kennokohtaisen painealueen suunnittelua ja validointia sen sijaan, että kaikille pussikennoille asetettaisiin sama puristusvaatimus. Michelini ym.: pussikennojen turpoaminen eri esikuormituksilla (2023)

Litteän kennon jäähdyttäminen

Pussikennon leveät pinnat tarjoavat suuren kosketuspinta-alan jäähdytykselle. Lämpö kulkee silti eri tavoin elektrodikerrosten suuntaisesti ja niiden läpi. Linin ja kollegoiden mittaukset täyteen ladatusta kaupallisesta 20 Ah:n LFP-pussikennosta antoivat lämmönjohtavuudeksi noin 26,6 W/(m·K) kerrosten suunnassa ja 0,52 W/(m·K) kerrospinon läpi: ero oli noin 50-kertainen. Tämä suuntariippuvuus auttaa selittämään, miksi kennon paksuus, kosketuspinta-ala ja jäähdytyspintojen sijainti ovat kaikki tärkeitä. Lin ym.: pussikennojen suuntariippuvainen lämmönjohtavuus (2022)

Jäähdytys liitosliuskojen kautta tarjoaa toisen reitin. 5 Ah:n NMC-pussikennoilla tehdyissä kokeissa Hunt ja kollegat havaitsivat, että pintajäähdytys loi elektrodikerrosten välille lämpötilaeroja, jotka aiheuttivat epätasaisen virranjakauman. Sykleissä, joissa purkuvirta oli 6C ja latausvirta 2C, pintajäähdytetyn kennon käytettävissä oleva kapasiteetti kuormitettuna pieneni nopeammin kuin liitosliuskoista jäähdytetyn kennon, vaikka pienellä virralla mitattu kapasiteetti heikkeni molemmissa samalla tavoin. Kussakin kokeessa käytettiin yhtä kennoa jäähdytysratkaisua kohden, ja kahdella eri akkujen syklityslaitteistolla tehdyissä kokeissa raportoitiin vertailukelpoiset tulokset. Hunt ym.: pussikennojen pinta- ja liitosliuskajäähdytys (2016) Ajoneuvojen jäähdytysnestepiirejä ja lämpötilan säätöä käsitellään luvussa Akun lämmönhallinta.

Mikä muuttuu kennojen kasvaessa?

Suurempi kenno voi varastoida enemmän energiaa ja vähentää tiettyyn akkukapasiteettiin tarvittavien erillisten kennojen määrää. Se muuttaa myös virran keräämistä, lämpövirtoja ja ulkoisten liitäntöjen määrää.

Enemmän energiaa kennoa kohden vai suurempi energiatiheys?

Syyskuussa 2024 Panasonic kertoi 4680-kennonsa kapasiteetin olevan viisinkertainen 2170-kennoon verrattuna. Panasonic Energy: 4680-kennon kehitys ja kapasiteettivertailu (2024) Yllä olevilla nimellismitoilla EVKX laskee sylinteritilavuuksien suhteeksi (46² × 80) / (21² × 70) eli noin 5,5. Kapasiteetin kasvuun liittyy siis huomattava kennon koon kasvu.

BMW:n kesäkuussa 2026 julkaisema iX5-tiedote tarjoaa toisen esimerkin: kennot ovat halkaisijaltaan 46 mm ja korkeudeltaan 120 mm, ja niiden kemia on sama kuin iX3:n 95 mm korkeissa kennoissa. BMW:n mukaan suurempi korkeus tuo lähes 30% enemmän käytettävissä olevaa energiaa kennoa kohden. BMW: iX5-tiedote ja sylinterikennojen mitat (2026) Kun halkaisija pysyy samana, nimellistilavuus kasvaa suhteessa 120 / 95 eli noin 26%.

Energiatiheyden vertailu edellyttää samalla perusteella mitattua energiaa jaettuna kennon todellisella tilavuudella tai massalla. Yllä olevat nimellistilavuuden laskelmat auttavat suhteuttamaan kennokohtaiset kapasiteettiväitteet kennon kokoon.

Liitännät ja jännitteen valvonta

Pienempi kennomäärä voi vähentää ulkoisten kennoliitäntöjen määrää. Jännitteen valvonnan tarve määräytyy kuitenkin sähköisen kytkennän perusteella. Suoraan rinnankytketyillä kennoilla on yhteinen jännite, joten akunhallintajärjestelmä mittaa tällaista rinnakkaisryhmää yleensä yhtenä sarjakytkennän kohtana.

Useiden pienten rinnankytkettyjen kennojen korvaaminen yhdellä suuremmalla voi siis vähentää fyysisten kennojen määrää vähentämättä valvottavien jännitteiden määrää. Texas Instrumentsin insinööri Matt Sunna selittää TI E2E -tukifoorumin vastauksessa, että valvontapiiri käsittelee suoraan rinnankytkettyjä kennoja yhtenä suurempana kennona. TI E2E -tukifoorumin vastaus: rinnankytkettyjen kennoryhmien valvonta Lämpötila-antureiden sijoittelu on erillinen suunnitteluvalinta.

Sähkön, lämmön ja ionien kulkureitit

Kennon mittojen kasvattaminen voi pidentää reittejä virrankeräinkalvoilla tai kennon sisältä jäähdytyspinnalle. Liitosliuskojen sijoittelu ja jäähdytysgeometria vastaavat näihin sähkön ja lämmön kulkureitteihin liittyviin tarpeisiin.

Litiumionit kulkevat paikallisesti elektrolyytin täyttämien huokosten ja erottimen läpi sekä aktiivimateriaalihiukkasten sisällä. Kennon korkeuden tai leveyden kasvattaminen ei itsessään pidennä näitä reittejä. Niihin vaikuttavat elektrodipinnoitteen paksuus, huokosrakenne ja hiukkasten mitat. Suurempi kotelo ja paksumpi pinnoite ovat erillisiä suunnitteluvalintoja; Kennokemia ja komponentit selittää elektrodeihin liittyviä kompromisseja.

Kennotason suojaus

Jäykissä sylinteri- ja prismakoteloissa voi olla paineenpurkuventtiilejä. Joissakin sylinterikennoissa on myös paineen ohjaama virrankatkaisulaite (CID), joka katkaisee sähköisen reitin, ja positiivisen lämpötilakertoimen elementti (PTC), jonka resistanssi kasvaa sen lämmetessä. Pussikennot voivat vapauttaa kaasua lämpösuljetun kotelon sauman kautta. NASA:n vuoden 2021 akkutyöpajassa esitelty tutkimus kuvaa näitä mekanismeja ja testaa sylinterikennoja ilman PTC-elementtejä. Se osoittaa, miksi käytetyt suojalaitteet on tarkistettava kyseisestä kennorakenteesta. Chung ym., NASA:n akkutyöpaja: kennojen suojalaitteet (2021)

Kolmen kennomuodon vertailu

Akkupaketti ja kytkentä käsittelee kennojen kytkemistä, jäähdyttämistä ja tukemista ajoneuvon akussa; Akkuturvallisuus käsittelee vikojen vaikutusten rajoittamista.