Celleformater

Battericeller til elbiler produseres hovedsakelig i sylindrisk, prismatisk og poseformet format. Formatet identifiserer ikke cellekjemien eller bestemmer kvaliteten, men påvirker hvordan elektrodene settes sammen, og hvordan cellen må kjøles, støttes, kobles og pakkes.

Format, størrelse og intern konstruksjon

Tre ulike valg blandes ofte sammen i diskusjoner om batterier:

Cellekjemi beskriver de elektrokjemiske materialene, for eksempel NMC, NCA, LFP, LMFP eller natriumion.
Celleformat beskriver den fysiske innkapslingen: sylindrisk, prismatisk eller pose.
Pakkearkitektur beskriver hvordan cellene kobles, kjøles, holdes på plass, beskyttes og integreres i kjøretøyet.

Valgene påvirker hverandre, men ingen av dem bestemmer de andre. En prismatisk celle kan bruke LFP- eller NMC-kjemi. Sylindriske celler kan monteres i moduler eller direkte i en cell-to-pack-struktur. Poseceller kan ordnes i konvensjonelle moduler eller større, integrerte cellegrupper.

Det amerikanske energidepartementet identifiserer sylindrisk, prismatisk og pose som de viktigste formene for litiumionceller og påpeker at innkapslingen og den interne elektrode-separator-strukturen gir ulike egenskaper ved produksjon og demontering. (US Department of Energy)

Viklede elektroder

En elektrodepakke inneholder vekslende lag med positiv elektrode, separator og negativ elektrode.

I en viklet celle rulles lange elektrode- og separatorbaner til en spiral som ofte kalles en jelly roll. Sylindriske celler bruker en rund rull. En prismatisk celle kan bruke en flatklemt, viklet rull som passer i et rektangulært hus.

Vikling passer til kontinuerlig høyhastighetsproduksjon fordi produsentene kan behandle lange ruller med belagt elektrodemateriale. Innrettingen må likevel styres nøyaktig: Skadet separatormateriale, rynker eller feilplasserte elektrodekanter kan skape interne feil.

En flatklemt jelly roll fyller ikke et rektangulært hus perfekt. De buede endene opplever også andre trykkforhold, strømveier og mekaniske bevegelser enn de brede, rette delene.

Stablede elektroder

I en stablet celle legges enkeltark med elektroder eller laminerte elektrodeelementer i vekslende lag med separatormateriale mellom.

En annen metode er Z-stabling, der en sammenhengende separator brettes frem og tilbake mens ark med positive og negative elektroder legges mellom foldene. Den ferdige rektangulære stabelen kan utnytte innsiden av et prismatisk hus eller en pose effektivt fordi den ikke har buede elektrodeender.

Stabling krever nøyaktig skjæring, plassering, inspeksjon og håndtering av mange lag. Samsung SDIs produksjonsveiledning beskriver vikling som den vanlige prosessen for selskapets sylindriske celler og Z-stabling som prosessen for de prismatiske cellene. (Samsung SDI)

Det utvendige formatet avslører ikke hvilken intern prosess som er brukt. Prismatiske celler og poseceller kan være viklet, stablet, brettet eller satt sammen med en leverandørspesifikk kombinasjon av disse metodene.

Innkapslingen er en aktiv del av konstruksjonen

Et cellehus gjør mer enn å holde elektrolytten på plass. Avhengig av formatet kan det:

Opprettholde mekanisk trykk på elektrodepakken
Lede varme mot en kjøleflate
Beskytte separatoren og elektrodekanter mot støt
Føre ett elektrisk potensial som del av terminalkonstruksjonen
Gi en kontrollert ventileringsvei
Hindre at fukt kommer inn og elektrolytt slipper ut
Overføre belastninger til modulen eller batteripakken rundt

Stive sylindriske og prismatiske hus gir betydelig støtte i seg selv. En fleksibel pose er langt mer avhengig av strukturen rundt.

Cellestørrelsen er like viktig som celleformen

To celler med samme format kan ha svært ulik kapasitet, energi, effekt, varmeutvikling og mekanisk oppførsel.

Bruk av mange små celler gir:

Mindre energi i hver enkelt celle
Større ytre overflate i forhold til lagret energi
Flere parallelle strømveier
Flere gjentatte komponenter, sveiser og mulige feilsteder

Bruk av færre store celler gir:

Færre terminaler, forbindelser, sveiser og overvåkingspunkter
Mindre gjentatt cellehusmateriale for en gitt pakkekapasitet
Mer lagret energi i hver celle
Lengre interne veier for elektroner, ioner og varme
Større konsekvenser dersom én celle utvikler en alvorlig feil

Cellestørrelse er derfor et kontinuum, ikke en egen formatkategori.

Sylindriske celler

En sylindrisk celle plasserer en viklet elektroderull i et stivt, rundt metallhus. Den sirkulære veggen støtter jelly roll-en jevnt og motstår innvendig trykk uten store, flate paneler.

Sylindriske celler drar nytte av høyt automatiserte produksjonsmetoder utviklet for forbrukerprodukter, industri og biler. Den regelmessige formen er enkel å håndtere, rotere, inspisere og transportere gjennom produksjonsutstyret.

Runde celler etterlater mellomrom når de ordnes i en rektangulær batteripakke. Mellomrommene reduserer den teoretiske pakkeeffektiviteten, men er ikke alltid bortkastet. Konstruktørene kan bruke dem til:

Kjølevæskekanaler
Elektrisk isolasjon
Strukturelt lim eller skum
Celleholdere
Klaring for ekspansjon
Barrierer som skal bremse termisk spredning

Resultatet på pakkenivå avhenger av hvor effektivt disse funksjonene utnytter plassen.

Størrelsesbetegnelser for sylindriske celler

Sylindriske betegnelser beskriver vanligvis cellens omtrentlige diameter og høyde i millimeter:

18650 eller 1865: omtrent 18 mm i diameter og 65 mm høy
2170 eller 21700: omtrent 21 mm i diameter og 70 mm høy
4680: omtrent 46 mm i diameter og 80 mm høy
4695: omtrent 46 mm i diameter og 95 mm høy
46120: omtrent 46 mm i diameter og 120 mm høy

Navnekonvensjonene er ikke helt konsekvente. Noen produsenter bruker fem sifre, mens andre utelater den siste nullen. Betegnelsen beskriver den nominelle størrelsen, ikke kjemien, kapasiteten, terminaloppsettet eller den interne konstruksjonen.

Overgang til en større sylinder reduserer antallet celler som trengs for en gitt pakkekapasitet. Panasonic oppgir at 4680-cellen har omtrent fem ganger kapasiteten til 2170-cellen. Dette er først og fremst en sammenligning av kapasitet per celle: 4680 er fysisk mye større, så det betyr ikke fem ganger så høy energitetthet. (Panasonic Energy)

Større celler skaper egne tekniske krav. Varmen må gå lengre fra sentrum av jelly roll-en, strømmen må samles fra større elektroder, og hver celle inneholder mer energi. Produksjonstoleranser, kjøling, ventilering og beskyttelse mot spredning blir stadig viktigere.

BMWs Gen6-system viser hvordan celler med felles diameter kan tilpasses ulike kjøretøy. BMW iX3 bruker celler med diameter på 46 mm og høyde på 95 mm, mens BMW iX5 bruker celler med samme diameter og kjemi, men høyde på 120 mm. BMW oppgir at den høyere cellen lagrer nesten 30% mer brukbar energi per celle. Økningen kommer fra det større cellevolumet. Det er ikke en økning i energitetthet på 30%. (BMW Group)

Faner og strømoppsamling

De belagte elektrodefoliene inne i en sylindrisk celle må kobles til de eksterne terminalene.

En tradisjonell konstruksjon bruker én eller flere separate metallfaner som sveises til den positive og negative strømkollektoren. Elektroner fra fjerne deler av elektroden må bevege seg langs den tynne folien før de når en fane. Denne veien skaper motstand og kan gi ujevn strøm- og temperaturfordeling.

Moderne store sylindriske celler kan bruke:

Flere faner fordelt langs elektroden
Mange små faneseksjoner
En sammenhengende kantforbindelse rundt store deler av jelly roll-en
Forbindelser over hele flaten mellom kollektorkanten og terminalenheten

Begrepet tabless brukes ofte om konstruksjoner med kontinuerlig fane, men den elektriske forbindelsen har ikke forsvunnet. I stedet fungerer en bred del av strømkollektorens kant som forbindelse. Forskning på strømoppsamling i sylindriske celler viser at flere eller bedre fordelte faner kan redusere temperaturøkning og temperaturgradienter. (Journal of Power Sources)

Fordelen avhenger av konsekvent skjæring, bretting, sveising og elektrisk kontakt rundt elektroderullen. En smart geometri som er vanskelig å produsere repeterbart, kan miste den teoretiske fordelen.

Kjøling av sylindriske celler

Varme kan forlate en sylindrisk celle gjennom:

Den buede sideveggen
Bunnen
Terminalenden
Ledende materiale mellom naboceller

Sidekjøling gir en stor kontaktflate, men krever kjølestrukturer mellom cellerekkene. Kjøling fra bunnen eller terminalen kan forenkle monteringen av batteripakken, selv om varmen da må bevege seg langs høyden på jelly roll-en.

Elektroderullen er termisk anisotrop: Varme beveger seg lettere i noen retninger enn andre. Den beste kjølemetoden avhenger derfor av cellehøyde, diameter, fanekonstruksjon, kjemi, effektbehov og temperaturforskjellen batteripakken kan tåle.

Styrker ved sylindriske celler

Stivt hus med effektiv motstand mot trykk
Moden, høyt automatisert produksjon
Konsekvent geometri for håndtering og inspeksjon
Fleksibel pakkekapasitet gjennom parallelle cellegrupper
Stor overflate i forhold til energi når små celler brukes
Etablerte størrelsesfamilier og produksjonsutstyr

Begrensninger ved sylindriske celler

Runde celler kan ikke fylle et rektangulært volum fullstendig
Batteripakker med små celler krever mange sveiser og forbindelser
Store sylindre inneholder mer energi per mulig feil
Batteripakken må gi jevn kjøling over mange celler
Celleorientering og terminalplassering begrenser pakkeutformingen
Intern kjernetemperatur kan ikke beregnes perfekt fra én utvendig måling

Prismatiske celler

En prismatisk celle bruker et stivt, rektangulært hus, vanligvis av aluminium eller stål. Elektrodepakken kan være en flatklemt, viklet rull eller en stabel av enkeltlag.

Den rektangulære formen kan utnytte gulvarealet i et kjøretøy effektivt og gjør det mulig å bygge en batteripakke av forholdsvis få store celler. Færre celler reduserer antallet terminaler, samleskinneforbindelser, sveiser og spenningsmålepunkter.

Brede celleflater kan ligge mot kjøleplater eller kompresjonsstrukturer. Metallhuset gir også kollisjonsbeskyttelse og en definert plassering for terminaler, tetninger, en trykkventil og i noen tilfeller en strømbryter- eller sikringsmekanisme.

De flate veggene krever nøye mekanisk kontroll. Elektrodematerialene endrer dimensjon med ladetilstand, temperatur og alder, mens sidereaksjoner kan danne gass. Batteripakken må tillate normal bevegelse samtidig som den hindrer overdreven svelling, tap av kjølekontakt eller skadelig lokalt trykk.

Store prismatiske celler kan også utvikle interne temperatur- og ladetilstandsgradienter. Kjøling av én flate eller bare bunnen garanterer ikke at alle deler av elektrodestabelen holder samme temperatur.

Standardiserte plattformer og leverandørspesifikke celler

I motsetning til sylindriske celler følger prismatiske celler ikke ett mye brukt sett med utvendige dimensjoner. Høyde, bredde, tykkelse, terminalplassering, ventilkonstruksjon og kapasitet tilpasses ofte en produsent eller kjøretøyplattform.

Det kan forbedre integreringen, men reduserer utskiftbarheten. To prismatiske celler med lignende kjemi og kapasitet passer ikke nødvendigvis i samme batteripakke eller bruker samme grensesnitt for kompresjon, kjøling og elektrisk tilkobling.

Volkswagen Groups Unified Cell, utviklet av PowerCo, er et eksempel på standardisering innenfor ett kjøretøykonsern. Det er en prismatisk plattform som skal støtte ulike leverandører, kjøretøy og elektrodekjemier. PowerCo startet produksjonen med en NMC-versjon og oppgir at LFP-varianter skal følge. (Volkswagen Group)

Unified Cell er ikke en ny kjemi og gjør ikke alle versjoner elektrokjemisk like. Elektrodematerialer, beleggsmengde, kapasitet, spenningsvindu, ladeegenskaper og termiske krav kan fortsatt variere innenfor et felles ytre konsept.

Lange prismatiske celler og celler i bladstil

En celle i bladstil er en lang og smal prismatisk celle. Det er ikke et fjerde grunnleggende format.

BYDs Blade Battery bruker lange, flate LFP-celler som plasseres direkte i en rekke uten konvensjonelle mellomliggende moduler.

BYD beskriver hver celle som en bidragsyter til pakkestrukturen. Den lange formen lar én celle spenne over en stor del av huset, reduserer antallet gjentatte elektriske forbindelser og gir brede flater for varmeoverføring. (BYD)

Mange fordeler som tilskrives en bladcelle, kommer fra forholdet mellom dimensjonene og batteripakken som bygges rundt den. En lang prismatisk celle gir ikke automatisk høy energitetthet på pakkenivå, hurtiglading eller god kollisjonsytelse.

Begrensningene kommer også fra den tette integreringen:

Cellelengde og pakkebredde må konstrueres sammen
Innretting og dimensjonstoleranser gjelder over en lang komponent
Temperatur og trykk må holdes under kontroll langs hele cellen
Én celle inneholder en betydelig energimengde
Utskifting av en enkeltcelle kan være vanskelig i en høyt integrert struktur

Blade Batterys termiske egenskaper gjenspeiler også LFP-kjemien, elektrodedesignet, ladetilstanden og hele batterisystemet til BYD. Celleformen bør ikke få æren for egenskaper som skyldes kjemien.

Styrker ved prismatiske celler

Effektiv utnyttelse av rektangulær pakkeplass
Færre celler og elektriske forbindelser
Stivt hus og definerte ventileringskomponenter
Brede flater for kjøling og kompresjon
Dimensjoner som kan tilpasses en kjøretøyplattform
God kompatibilitet med modulløse pakkekonsepter

Begrensninger ved prismatiske celler

Store, flate overflater krever kontrollert ekspansjon og kompresjon
Interne temperaturgradienter kan oppstå over en stor celle
Hver celle inneholder en betydelig energimengde
Dimensjoner og grensesnitt er ofte leverandørspesifikke
En celle utviklet rundt én plattform kan være vanskelig å gjenbruke andre steder
Store celler gjør batteripakken mer følsom for jevn kvalitet i hver celle

Poseceller

En posecelle bruker en fleksibel, laminert innkapsling i stedet for et stivt metallhus. Filmen kombinerer vanligvis et barrierelag av aluminium med polymerlag som gir elektrisk isolasjon, mekanisk beskyttelse og varmeforseglbare flater.

Posen inneholder en viklet, stablet, laminert eller brettet elektrodepakke. Store poseceller til biler bruker ofte stablede konstruksjoner fordi rektangulære lag kan utnytte innkapslingen effektivt.

I LG Energy Solutions monteringsprosess for poseceller stables laminerte elektrodeenheter, lederne sveises til stabelen, og stabelen settes inn i en formet pose. Elektrolytt tilsettes gjennom en midlertidig gasslomme. Gass som dannes under de første formasjonssyklusene, fjernes senere før posen får sin endelige forsegling. (LG Energy Solution)

Den laminerte innkapslingen tilfører lite cellehusmasse, men holder ikke elektrodene på plass som et stivt hus. En posecelle må behandles som del av et mekanisk system som omfatter:

Kompresjonsplater eller rammer
Ettergivende puter som tar opp ekspansjon
Beskyttelse av cellekantene og lederforseglingene
Et kontrollert kjølegrensesnitt
Barrierer mellom naboceller
Støtte som hindrer bøying under montering og bruk i kjøretøyet

Poseceller endrer normalt tykkelsen litt gjennom syklusen. Ytterligere svelling kan oppstå når cellen eldes, eller hvis sidereaksjoner danner gass. Kompresjonen må være sterk og jevn nok til å opprettholde kontakt, men ikke så høy eller ujevn at elektrodestabelen skades.

Kjøling av poseceller

De brede flatene på en posecelle gir et stort mulig kjøleareal. Kjøleplater kan berøre én eller begge flater, eller batteripakken kan fjerne varme gjennom en kant eller elektrodefanene.

God kontakt mot flaten er avgjørende. Hvis svelling, toleransevariasjon eller utilstrekkelig kompresjon skaper en åpning, øker den lokale termiske motstanden. Puter og termiske kontaktmaterialer må opprettholde kontakten samtidig som de tillater normale dimensjonsendringer.

Varme beveger seg lettere langs metallet i elektrodefoliene enn direkte gjennom de mange elektrode- og separatorlagene. En overflatetemperatur kan derfor skjule et varmere indre område, særlig i en stor eller tykk celle.

Styrker ved poseceller

Lav innkapslingsmasse
Effektiv bruk av det innvendige cellevolumet
Fleksibel bredde, høyde og tykkelse
Brede flater som kan kobles til kjøleplater
Færre celler enn i batteripakker med små sylindriske formater
Kompatibilitet med stablet elektrodekonstruksjon

Begrensninger ved poseceller

Batteripakken må gi mesteparten av den mekaniske støtten
Kompresjon og rom for ekspansjon er avgjørende
Laminerte kanter og lederforseglinger må beskyttes nøye
Store fleksible celler er krevende å håndtere og montere
Svelling kan endre kjølekontakten og det mekaniske trykket
Rammer, puter og beskyttelse motvirker deler av vektbesparelsen på cellenivå

Hvordan celleformatet endrer pakkekonstruksjonen

Celleformatet virker ikke isolert. Verdien avhenger av hvor godt pakkearkitekturen utnytter styrkene og kompenserer for begrensningene.

Celleantall og elektriske forbindelser

En batteripakke med tusenvis av små sylindriske celler trenger mange sveiser og parallelle strømveier. En pakke med store prismatiske celler eller poseceller trenger langt færre forbindelser, men hver forbindelse fører mer strøm, og hver celle utgjør en større del av pakkekapasiteten.

Færre celler kan forenkle måling og montering. Flere celler kan gi finere kapasitetstrinn og flere parallelle veier. Ingen av strategiene garanterer pålitelighet: Produksjonskvalitet, forbindelseskonstruksjon, feildeteksjon og elektrisk beskyttelse bestemmer resultatet.

Kjøleveier

Sylindriske celler har buede overflater og flere mulige kjøleretninger. Prismatiske celler og poseceller gir brede, flate overflater, men kan utvikle gradienter gjennom tykkelsen.

Kjølesystemet må passe til:

Hvor varmen dannes inne i cellen
Hvor lett varmen beveger seg gjennom elektrodepakken
Avstanden fra det varmeste indre området til kjølevæsken
Lade- og utladingseffekten
Den akseptable temperaturforskjellen mellom celler
Celleekspansjonen gjennom levetiden

Derfor kan det samme formatet yte svært forskjellig i to kjøretøy.

Kompresjon og strukturell støtte

Poseceller krever ekstern kompresjon. Store prismatiske celler trenger også kontrollert fastholding, selv om husene gir mer støtte. Sylindriske hus er mer selvbærende, men trenger fortsatt nøyaktig plassering og beskyttelse mot vibrasjon og støt.

Strukturen rundt tilfører masse og tar plass. Energitetthet på cellenivå må derfor ikke forveksles med energitetthet på pakkenivå.

Feilenergi og spredning

En større celle inneholder mer energi, så en alvorlig feil kan frigjøre mer varme og gass fra ett sted. En mindre celle inneholder mindre energi, men batteripakken har flere naboceller og flere mulige spredningsveier.

Formatet påvirker ventileringsretning, avstand, barrierer og varmeoverføring, men kan ikke alene fastslå sikkerheten. Kjemi, ladetilstand, cellekvalitet, beskyttelsesenheter, kjøling, kollisjonsstruktur, gasshåndtering og testing av spredning er alle viktige.

Cell-to-pack er ikke et celleformat

Cell-to-pack betyr at cellene integreres i batteripakken uten konvensjonelle, selvstendige moduler. Sylindriske, prismatiske og poseformede celler kan alle brukes i modulløse konstruksjoner.

Fjerning av modulhus og duplisert struktur kan forbedre plass- og masseutnyttelsen. Det overfører også flere oppgaver til batterihuset:

Plassering og fastholding av cellene
Elektrisk isolasjon
Kjølekontakt
Håndtering av kollisjonsbelastninger
Brann- og gasshåndtering
Kontroll med produksjonstoleranser
Strategi for service og reparasjon

Resultatet avhenger av hele konstruksjonen, ikke bare av å fjerne modulene.

Produksjon, reparasjon og gjenvinning

Standardiserte små celler kan forenkle celleproduksjonen og samtidig gi en kompleks pakkemontering. Store plattformspesifikke celler kan forenkle pakkemonteringen, men kreve særskilt verktøy og håndtering i celleproduksjonen.

Høyt integrerte batteripakker kan redusere antallet deler og vekten, men lim, strukturelt skum, lange celler og direkte cell-to-pack-installasjon kan gjøre diagnostikk, demontering og utskifting av enkeltceller vanskeligere.

Gjenvinningsprosessene møter også ulike hus, lim, kjølematerialer og demonteringsveier. Energidepartementet påpeker at celleinnkapslingen og elektrodepakken påvirker hvor enkelt cellene kan åpnes og behandles. (US Department of Energy)

Hva celleformatet betyr for en elbilkjøper

Celleformatet er nyttig for å forstå tekniske valg, men er ikke en kvalitetsrangering.

Et kjøretøy vil ikke automatisk:

Lade raskere fordi det bruker sylindriske celler
Kjøre lengre fordi det bruker poseceller
Vare lenger fordi det bruker prismatiske celler
Motstå termisk spredning fordi det bruker celler i bladstil
Ha høy energitetthet på pakkenivå fordi det bruker cell-to-pack-konstruksjon

For en bestemt elbil er disse spørsmålene mer nyttige:

Hva er batteriets brutto og brukbare kapasitet?
Hvor effektivt er kjøretøyet?
Hvordan ser ladekurven ut?
Kan batteriet forkondisjoneres før hurtiglading?
Hvordan endres ladingen under kalde eller varme forhold?
Hvordan kjøler og varmer systemet for termisk styring cellene?
Hvilke vilkår gjelder for degradering og garanti?
Hvordan har produsenten testet spredning mellom cellene?
Kan moduler eller enkelte cellegrupper diagnostiseres og skiftes?
Krever reparasjon av batteripakken at hele batteriet skiftes?

Formatet forklarer hvorfor produsenten valgte en bestemt strategi for kjøling, struktur, produksjon eller service. Det ferdige kjøretøyet avgjør om strategien fungerer godt.

For materialene inne i hvert format, se Cellekjemi og komponenter. De elektriske forbindelsene og det strukturelle hierarkiet er behandlet i Batteripakke og konfigurasjon, mens kjølesystemene er forklart i Termisk styring av batterier.