Formati delle celle per batterie dei veicoli elettrici: cilindriche, prismatiche e pouch

Le celle delle batterie dei veicoli elettrici hanno tre formati principali: celle cilindriche in contenitori metallici rotondi, celle prismatiche in involucri metallici rettangolari e celle pouch sigillate in una pellicola laminata flessibile. Baazouzi et al.: progettazione e produzione delle celle cilindriche (2023) La forma e l'involucro influiscono sulla disposizione delle celle, sul modo in cui il calore esce dalla cella e sul supporto fornito dalla batteria.

Questo capitolo spiega questa costruzione fisica, partendo dai materiali descritti in Chimica e componenti delle celle.

Formato della cella e struttura interna

All'interno di una cella, sottili elettrodi positivi e negativi sono separati da un separatore elettricamente isolante. Questi strati formano un insieme ripetuto, che può essere avvolto o impilato.

L'avvolgimento arrotola strisce continue di elettrodi e separatore in una struttura spesso chiamata jelly roll. Le celle cilindriche usano un avvolgimento rotondo. Un involucro prismatico può contenere avvolgimenti appiattiti o elettrodi impilati. Baazouzi et al.: progettazione e produzione delle celle cilindriche (2023) Nell'impilamento a Z, i singoli fogli degli elettrodi vengono disposti sui lati alternati di un separatore ripiegato avanti e indietro. Samsung SDI descrive l'avvolgimento e l'impilamento a Z come modi diversi di assemblare gli stessi strati essenziali e sottolinea l'importanza di un allineamento preciso durante l'avvolgimento per prevenire cortocircuiti interni. Samsung SDI: assemblaggio delle celle, avvolgimento e impilamento a Z (2026)

L'involucro e la struttura interna sono quindi scelte progettuali distinte. “Prismatica” descrive la forma esterna; non indica se gli elettrodi all'interno siano avvolti o impilati. Allo stesso modo, il formato non specifica la chimica: LFP e NMC descrivono i materiali degli elettrodi, mentre cilindrica, prismatica e pouch descrivono la costruzione fisica. PowerCo: prime celle di Salzgitter e architettura Unified Cell (2025)

Celle cilindriche

Una cella cilindrica racchiude gli elettrodi avvolti in un contenitore metallico rigido. Baazouzi et al.: progettazione e produzione delle celle cilindriche (2023) Il contenitore conferisce una forma definita per la movimentazione e l'assemblaggio. Quando i cilindri vengono disposti uno accanto all'altro, rimangono spazi fra le superfici curve. I progettisti del pacco batteria possono usare parte di questo spazio per il raffreddamento o per altri componenti.

Dimensioni e denominazioni

Le sigle dimensionali più comuni descrivono il diametro e l'altezza approssimativi. Una cella 18650 ha un diametro di circa 18 mm e un'altezza di 65 mm. Panasonic: dimensioni delle celle 18650 (2012) Una cella 21700, chiamata anche 2170, misura circa 21 mm per 70 mm. Panasonic: denominazione delle dimensioni delle celle cilindriche (2021) Una cella 4680 misura circa 46 mm per 80 mm. Baazouzi et al.: progettazione e produzione delle celle cilindriche (2023) Si tratta di dimensioni nominali; le misure e le tolleranze esatte sono riportate nelle specifiche della singola cella.

Linguette e raccolta della corrente

I rivestimenti degli elettrodi poggiano su lamine metalliche chiamate collettori di corrente. I collegamenti elettrici fra queste lamine e i terminali della cella sono comunemente chiamati linguette. La loro posizione determina la distanza che la corrente deve percorrere lungo la lamina e i punti in cui la resistenza elettrica genera calore.

Un progetto con poche linguette localizzate concentra la raccolta della corrente in quei punti. Più linguette, o collegamenti distribuiti lungo i bordi degli elettrodi, accorciano i percorsi nella lamina. Li et al.: progettazione delle linguette e raffreddamento delle celle cilindriche (2021) I progetti descritti come “tabless”, ossia senza linguette, hanno comunque collegamenti elettrici: il termine indica una raccolta distribuita della corrente al posto di poche linguette separate. Baazouzi e colleghi documentano collegamenti realizzati attraverso i bordi esposti delle lamine dei collettori di corrente. Baazouzi et al.: progettazione e produzione delle celle cilindriche (2023)

Il calore può uscire dalla parete laterale o dalle estremità, a seconda delle superfici collegate al sistema di raffreddamento. In un modello validato della cella LG M50T 21700, Li e colleghi hanno riscontrato che la raccolta distribuita della corrente riduceva la generazione di calore e le differenze di temperatura interne. Nelle simulazioni di scarica a 3C dello studio, un progetto con linguetta continua e raffreddamento laterale per conduzione offriva le migliori prestazioni di raffreddamento. In quel modello, raffreddare i lati risultava più efficace che raffreddare soltanto la base. Li et al.: progettazione delle linguette e raffreddamento delle celle cilindriche (2021)

Celle prismatiche

Le celle prismatiche usano un involucro rettangolare rigido. Baazouzi et al.: progettazione e produzione delle celle cilindriche (2023) La forma permette di affiancare le facce delle celle, riservando spazio all'isolamento, al supporto e alla configurazione di raffreddamento scelta. Lo spessore della cella, la posizione dei terminali e lo spazio previsto per l'espansione determinano l'assemblaggio finale.

Un involucro comune può anche ospitare chimiche diverse. Nell'annuncio di dicembre 2025 sulle prime celle prodotte a Salzgitter, PowerCo ha descritto la sua Unified Cell come un'architettura prismatica standardizzata. Le prime celle usavano la chimica NMC, con la LFP prevista in seguito. La versione NMC iniziale e quella LFP pianificata mostrano come un'architettura fisica comune possa accogliere materiali degli elettrodi diversi. PowerCo: prime celle di Salzgitter e architettura Unified Cell (2025)

Dove si collocano le celle BYD Blade

Il progetto Blade di BYD è una cella prismatica lunga e stretta, classificata in questa famiglia nello studio sui formati delle celle del Fraunhofer ISI. Fraunhofer ISI: formati delle celle agli ioni di litio (2022) Nella brochure della SEAL del 2024, BYD descrive un insieme di celle sottili e allungate che usano LFP come materiale del catodo. BYD Irlanda: brochure SEAL MY2024, Blade Battery

“Blade” identifica il progetto di BYD e LFP il materiale del catodo. Cell-to-pack e cell-to-body descrivono il modo in cui le celle sono integrate nella batteria o nella struttura del veicolo.

Celle pouch

Una cella pouch racchiude il gruppo di elettrodi in una pellicola laminata contenente uno strato barriera in alluminio e strati polimerici. Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti: rapporto su produzione sostenibile ed economia circolare (2023) Senza un contenitore rigido, la cella dipende maggiormente dalla struttura circostante per il supporto meccanico e la protezione. Fraunhofer ISI: formati delle celle agli ioni di litio (2022) Anche i bordi sigillati e i conduttori dei terminali occupano spazio attorno al gruppo di elettrodi. LG Energy Solution: assemblaggio delle celle pouch (2023)

LG Energy Solution descrive un processo per celle pouch in cui vengono impilate unità di elettrodi laminati, saldati i conduttori e inserito il gruppo in un involucro flessibile preformato. La cella viene riempita di elettrolita e sigillata. Una sacca temporanea raccoglie il gas prodotto durante la formazione; questo gas viene rimosso prima della sigillatura finale. LG Energy Solution: assemblaggio delle celle pouch (2023)

Supporto, rigonfiamento e pressione

Dopo la rimozione del gas di formazione, la cella continua a variare di spessore durante l'uso. Gli elettrodi cambiano volume quando la cella si carica e si scarica. Una parte della variazione di spessore è reversibile con lo stato di carica, mentre l'invecchiamento può produrre un'espansione permanente. La struttura circostante deve assorbire queste variazioni mantenendo il contatto previsto fra gli strati e le superfici di raffreddamento.

La compressione esterna è un modo per controllare questo contatto. La pressione necessaria e la sua variazione durante l'espansione dipendono dalla cella e dalla sua installazione. Una pressione maggiore non è automaticamente migliore. In esperimenti su celle pouch commerciali da 60 Ah con chimica NMC622/grafite, Michelini e colleghi hanno riscontrato che il precarico più elevato fra quelli provati produceva un minore aumento permanente dello spessore, ma una perdita di capacità più rapida. Questi risultati sostengono la necessità di progettare e validare un intervallo di pressione per la specifica cella, anziché assegnare un unico requisito di compressione a tutte le celle pouch. Michelini et al.: rigonfiamento delle celle pouch con diversi precarichi (2023)

Raffreddare una cella piatta

Le facce ampie di una cella pouch offrono una grande area di contatto per il raffreddamento. Il calore si propaga però in modo diverso lungo gli strati degli elettrodi e attraverso di essi. Le misurazioni di Lin e colleghi su una cella pouch LFP commerciale da 20 Ah completamente carica hanno fornito conducibilità termiche di circa 26,6 W/(m·K) lungo gli strati e 0,52 W/(m·K) attraverso la pila: una differenza di circa 50 volte. Questo comportamento direzionale aiuta a spiegare perché contino lo spessore della cella, l'area di contatto e la posizione delle superfici di raffreddamento. Lin et al.: conducibilità termica direzionale nelle celle pouch (2022)

Il raffreddamento attraverso le linguette offre un altro percorso. In esperimenti su celle pouch NMC da 5 Ah, Hunt e colleghi hanno riscontrato che il raffreddamento superficiale creava differenze di temperatura fra gli strati degli elettrodi, causando una distribuzione non uniforme della corrente. Durante cicli con scarica a 6C e carica a 2C, la cella raffreddata in superficie perdeva capacità utilizzabile sotto carico più rapidamente di quella raffreddata tramite le linguette, sebbene la capacità misurata a basso regime diminuisse in modo simile. Ogni prova usava una cella per configurazione di raffreddamento, con risultati comparabili riportati in due prove su diversi ciclatori per batterie. Hunt et al.: raffreddamento delle celle pouch tramite superficie e linguette (2016) I circuiti del liquido refrigerante e il controllo della temperatura del veicolo sono trattati in Gestione termica della batteria.

Che cosa cambia quando le celle diventano più grandi?

Una cella più grande può immagazzinare più energia e ridurre il numero di celle separate necessario per una determinata capacità della batteria. Cambia anche la raccolta della corrente, il flusso di calore e il numero di collegamenti esterni.

Più energia per cella rispetto a una maggiore densità

Nel settembre 2024, Panasonic ha descritto la propria cella 4680 come dotata di una capacità cinque volte superiore a quella della cella 2170. Panasonic Energy: sviluppo della 4680 e confronto delle capacità (2024) Usando le dimensioni nominali riportate sopra, EVKX calcola un rapporto fra i volumi dei cilindri pari a (46² × 80) / (21² × 70), ossia circa 5,5 volte. L'aumento di capacità si accompagna quindi a un aumento sostanziale delle dimensioni della cella.

L'annuncio della iX5 di BMW del giugno 2026 fornisce un altro esempio: celle con diametro di 46 mm e altezza di 120 mm, con la stessa chimica delle celle alte 95 mm della iX3. BMW ha attribuito all'aumento di altezza quasi il 30% in più di energia utilizzabile per cella. BMW: annuncio della iX5 e dimensioni delle celle cilindriche (2026) A parità di diametro, il volume nominale aumenta secondo il rapporto 120 / 95, ossia di circa il 26%.

Un confronto della densità energetica richiede energia misurata sulla stessa base, divisa per il volume o la massa effettivi della cella. I calcoli del volume nominale riportati sopra contestualizzano le dichiarazioni sulla capacità per cella.

Collegamenti e monitoraggio della tensione

Usare meno celle può ridurre il numero di collegamenti esterni fra le celle. La necessità di monitorare la tensione dipende però dalla configurazione elettrica. Le celle collegate direttamente in parallelo condividono la stessa tensione, perciò un sistema di gestione della batteria misura normalmente quel gruppo parallelo come una singola posizione nella serie.

Sostituire più celle piccole in parallelo con una cella più grande può quindi ridurre il numero fisico di celle senza ridurre il numero di tensioni monitorate. In una risposta nel forum di assistenza TI E2E, l'ingegnere di Texas Instruments Matt Sunna spiega che il dispositivo di monitoraggio considera le celle collegate direttamente in parallelo come un'unica cella più grande. Risposta nel forum di assistenza TI E2E: monitoraggio dei gruppi di celle in parallelo Il posizionamento dei sensori di temperatura è una scelta progettuale distinta.

Percorsi elettrici, termici e ionici

Aumentare le dimensioni di una cella può allungare i percorsi lungo le lamine dei collettori di corrente o dall'interno della cella a una superficie di raffreddamento. La posizione delle linguette e la geometria del raffreddamento intervengono su questi percorsi elettrici e termici.

Il trasporto degli ioni di litio avviene localmente attraverso i pori riempiti di elettrolita e il separatore, e all'interno delle particelle del materiale attivo. Rendere una cella più alta o più larga non allunga di per sé questi percorsi. A determinarli sono lo spessore del rivestimento degli elettrodi, la struttura dei pori e le dimensioni delle particelle. Un involucro più grande e un rivestimento più spesso sono scelte progettuali distinte; Chimica e componenti delle celle spiega i compromessi relativi agli elettrodi.

Protezione a livello della cella

Gli involucri rigidi cilindrici e prismatici possono incorporare sfiati di sovrapressione. Alcuni progetti cilindrici includono anche un dispositivo di interruzione della corrente azionato dalla pressione (CID), che interrompe il percorso elettrico, e un elemento a coefficiente di temperatura positivo (PTC), la cui resistenza aumenta quando si riscalda. Le celle pouch possono liberare gas attraverso una giunzione dell'involucro termosaldato. Uno studio presentato al workshop sulle batterie della NASA del 2021 descrive questi meccanismi e sottopone a prova celle cilindriche prive di elementi PTC, mostrando perché occorra verificare i dispositivi presenti nello specifico progetto di cella. Chung et al., workshop NASA sulle batterie: dispositivi di sicurezza delle celle (2021)

Confronto fra i tre formati

Pacco batteria e configurazione tratta i collegamenti, il raffreddamento e il supporto delle celle nella batteria di un veicolo; Sicurezza della batteria tratta il contenimento dei guasti.