Cellformat

Battericeller för elbilar tillverkas huvudsakligen i cylindriskt, prismatiskt och påsformat utförande. Formatet avslöjar inte cellkemin och avgör inte cellens kvalitet, men det påverkar hur elektroderna monteras och hur cellen måste kylas, stödjas, anslutas och förpackas.

Format, storlek och intern konstruktion

Tre olika val blandas ofta ihop i diskussioner om batterier:

Cellkemi beskriver de elektrokemiska materialen, till exempel NMC, NCA, LFP, LMFP eller natriumjon.
Cellformat beskriver det fysiska höljet: cylindriskt, prismatiskt eller påsformat.
Paketarkitektur beskriver hur cellerna kopplas samman, kyls, hålls på plats, skyddas och integreras i fordonet.

Valen påverkar varandra, men inget av dem bestämmer de andra. En prismatisk cell kan använda LFP- eller NMC-kemi. Cylindriska celler kan monteras i moduler eller direkt i en cell-till-paket-struktur. Påsceller kan placeras i traditionella moduler eller i större integrerade cellgrupper.

USA:s energidepartement anger cylindriska, prismatiska och påsformade celler som de huvudsakliga formerna för litiumjonceller och konstaterar att deras höljen och interna elektrod-separatorstrukturer ger olika förutsättningar för tillverkning och demontering. (US Department of Energy)

Lindade elektroder

En elektrodenhet består av omväxlande lager av positiv elektrod, separator och negativ elektrod.

I en lindad cell rullas långa elektrod- och separatorark till en spiral som ofta kallas en jelly roll. Cylindriska celler använder en rund jelly roll. En prismatisk cell kan använda en tillplattad lindad rulle som passar i en rektangulär behållare.

Lindning lämpar sig för kontinuerlig höghastighetsproduktion eftersom tillverkaren kan bearbeta långa rullar med belagt elektrodmaterial. Inriktningen måste ändå styras mycket exakt: skadat separatormaterial, veck eller felplacerade elektrodkanter kan skapa interna defekter.

En tillplattad jelly roll fyller inte ett rektangulärt hölje perfekt. De böjda ändarna utsätts dessutom för andra tryck, strömvägar och mekaniska rörelser än de breda, raka delarna.

Staplade elektroder

I en staplad cell placeras enskilda elektrodark eller laminerade elektrodenheter i omväxlande lager med separatormaterial emellan.

En annan metod är Z-stapling, där en sammanhängande separator viks fram och tillbaka medan ark med positiva och negativa elektroder förs in mellan vecken. Den färdiga rektangulära stapeln kan utnyttja insidan av ett prismatiskt hölje eller en påse effektivt eftersom den saknar böjda elektrodändar.

Stapling kräver noggrann skärning, placering, kontroll och hantering av många lager. Samsung SDI:s tillverkningsguide beskriver lindning som den vanliga processen för företagets cylindriska celler och Z-stapling som processen för dess prismatiska celler. (Samsung SDI)

Det yttre formatet visar inte vilken intern process som har använts. Prismatiska celler och påsceller kan vara lindade, staplade, vikta eller monterade med en leverantörsspecifik kombination av dessa metoder.

Höljet är en aktiv del av konstruktionen

Ett cellhölje gör mer än att hålla elektrolyten på plats. Beroende på format kan det:

Upprätthålla mekaniskt tryck på elektrodenheten
Leda värme mot en kylyta
Skydda separatorn och elektrodkanterna mot stötar
Bära en elektrisk potential som en del av polkonstruktionen
Ge en kontrollerad väg för avluftning
Hindra fukt från att tränga in och elektrolyt från att läcka ut
Överföra laster till den omgivande modulen eller paketet

Styva cylindriska och prismatiska behållare ger i sig ett betydande stöd. En flexibel påse är mycket mer beroende av den omgivande strukturen.

Cellstorleken är lika viktig som cellformen

Två celler med samma format kan skilja sig kraftigt i kapacitet, energi, effekt, värmeutveckling och mekaniskt beteende.

Många små celler ger:

Mindre energi i varje enskild cell
Större yttre yta i förhållande till lagrad energi
Fler parallella elektriska vägar
Fler återkommande komponenter, svetsar och möjliga felpunkter

Färre stora celler ger:

Färre poler, förbindningar, svetsar och mätpunkter
Mindre upprepat cellhöljematerial för en given paketkapacitet
Mer lagrad energi i varje cell
Längre interna vägar för elektroner, joner och värme
Större konsekvenser om en cell utvecklar ett allvarligt fel

Cellstorlek är därför ett kontinuum, inte en separat formatkategori.

Cylindriska celler

En cylindrisk cell placerar en lindad elektrodrulle i en styv, rund metallbehållare. Den cirkulära väggen stödjer jelly roll-enheten jämnt och motstår internt tryck utan behov av stora plana paneler.

Cylindriska celler drar nytta av högt automatiserade produktionsmetoder som utvecklats för konsument-, industri- och fordonsprodukter. Den regelbundna formen är lätt att hantera, rotera, kontrollera och transportera genom tillverkningsutrustningen.

Runda celler lämnar mellanrum när de placeras i ett rektangulärt paket. Mellanrummen minskar den teoretiska packningseffektiviteten, men är inte alltid bortkastade. Konstruktörerna kan använda dem för:

Kylvätskekanaler
Elektrisk isolering
Strukturlim eller skum
Cellhållare
Utrymme för expansion
Barriärer avsedda att bromsa termisk spridning

Slutresultatet beror på hur effektivt dessa funktioner utnyttjar det tillgängliga utrymmet.

Storleksbeteckningar för cylindriska celler

Cylindriska beteckningar beskriver normalt cellens ungefärliga diameter och höjd i millimeter:

18650 eller 1865: cirka 18 mm i diameter och 65 mm hög
2170 eller 21700: cirka 21 mm i diameter och 70 mm hög
4680: cirka 46 mm i diameter och 80 mm hög
4695: cirka 46 mm i diameter och 95 mm hög
46120: cirka 46 mm i diameter och 120 mm hög

Namngivningen är inte helt enhetlig. Vissa tillverkare använder fem siffror, medan andra utelämnar den sista nollan. Beteckningen beskriver de nominella yttermåtten, inte kemin, kapaciteten, polernas utformning eller den interna konstruktionen.

En större cylinder minskar antalet celler som behövs för en given paketkapacitet. Panasonic uppger att företagets 4680-cell har ungefär fem gånger så stor kapacitet som dess 2170 av motsvarande typ. Det är främst en jämförelse av kapacitet per cell: 4680-cellen är fysiskt mycket större, så det betyder inte fem gånger så hög energitäthet. (Panasonic Energy)

Större celler medför egna tekniska krav. Värmen måste färdas längre från mitten av jelly roll-enheten, strömmen måste samlas in över större elektroder och varje cell innehåller mer energi. Tillverkningstoleranser, kylning, avluftning och skydd mot spridning blir allt viktigare.

BMW:s Gen6-system visar hur celler med samma diameter kan anpassas till olika fordon. BMW iX3 använder celler med 46 mm diameter och 95 mm höjd, medan BMW iX5 använder celler med samma diameter och kemi men 120 mm höjd. BMW uppger att den högre cellen lagrar nästan 30% mer användbar energi per cell. Ökningen kommer av den större cellvolymen; den innebär inte 30% högre energitäthet. (BMW Group)

Flikar och strömuppsamling

De belagda elektrodfolierna i en cylindrisk cell måste anslutas till de yttre polerna.

En traditionell konstruktion använder en eller flera separata metallflikar som svetsas till den positiva och den negativa strömkollektorn. Elektroner från avlägsna delar av elektroden måste färdas längs den tunna folien innan de når en flik. Den vägen skapar motstånd och kan ge ojämn ström- och temperaturfördelning.

Moderna stora cylindriska celler kan använda:

Flera flikar fördelade längs elektroden
Många små fliksektioner
En sammanhängande kantanslutning runt en stor del av jelly roll-enheten
Heltäckande anslutningar mellan kollektorkanten och polenheten

Begreppet tabless används ofta för konstruktioner med kontinuerlig flik, men den elektriska anslutningen har inte försvunnit. I stället fungerar en bred del av strömkollektorns kant som anslutning. Forskning om strömuppsamling i cylindriska celler visar att fler eller bättre fördelade flikar kan minska temperaturökningen och temperaturskillnaderna. (Journal of Power Sources)

Nyttan beror på enhetlig skärning, vikning, svetsning och elektrisk kontakt runt elektrodrullen. En smart geometri som är svår att tillverka reproducerbart kan förlora sin teoretiska fördel.

Kylning av cylindriska celler

Värme kan lämna en cylindrisk cell genom:

Den välvda sidoväggen
Botten
Poländen
Värmeledande material mellan intilliggande celler

Sidokylning ger en stor kontaktyta men kräver kylstrukturer mellan cellraderna. Kylning via botten eller poländen kan förenkla paketmonteringen, men då måste värmen färdas längs jelly roll-enhetens höjd.

Elektrodrullen är termiskt anisotrop: värme färdas lättare i vissa riktningar än i andra. Den bästa kylmetoden beror därför på cellens höjd och diameter, flikkonstruktion, kemi, effektbehov och den temperaturskillnad som paketet kan tolerera.

Fördelar med cylindriska celler

Styvt hölje med effektiv motståndskraft mot tryck
Mogen, högt automatiserad produktion
Enhetlig geometri för hantering och kontroll
Flexibel paketkapacitet genom parallella cellgrupper
Stor yta i förhållande till energin när mindre celler används
Etablerade storleksfamiljer och tillverkningsutrustning

Begränsningar med cylindriska celler

Runda celler kan inte fylla en rektangulär volym helt
Paket med små celler kräver många svetsar och förbindningar
Stora cylindrar innehåller mer energi per potentiellt fel
Paketet måste ge enhetlig kylning över många celler
Cellernas orientering och polernas placering begränsar paketlayouten
Den interna kärntemperaturen kan inte bestämmas helt säkert från en enda extern mätning

Prismatiska celler

En prismatisk cell använder ett styvt rektangulärt hölje, normalt av aluminium eller stål. Elektrodenheten kan vara en tillplattad lindad rulle eller en stapel av enskilda lager.

Den rektangulära formen kan utnyttja fordonets golvyta effektivt och gör det möjligt att bygga ett paket med relativt få stora celler. Färre celler minskar antalet poler, samlingsskenefogar, svetsar och mätpunkter för spänning.

De breda cellytorna kan placeras mot kylplattor eller kompressionsstrukturer. Metallbehållaren ger också stötskydd och en bestämd placering för poler, tätningar, en tryckventil och ibland en mekanism för strömbrytning eller säkring.

De plana väggarna kräver noggrann mekanisk styrning. Elektrodmaterial ändrar dimensioner med laddningsnivå, temperatur och ålder, medan sidoreaktioner kan bilda gas. Paketet måste tillåta normala rörelser och samtidigt förhindra överdriven svällning, förlorad kylkontakt eller skadligt lokalt tryck.

Stora prismatiska celler kan också utveckla interna skillnader i temperatur och laddningsnivå. Kylning av en sida eller endast botten garanterar inte att alla delar av elektrodstapeln håller samma temperatur.

Standardiserade plattformar och leverantörsspecifika celler

Till skillnad från cylindriska celler följer prismatiska celler inte en enda allmänt använd uppsättning yttermått. Höjd, bredd, tjocklek, polplacering, ventilkonstruktion och kapacitet anpassas ofta till en tillverkare eller fordonsplattform.

Det kan förbättra integreringen men minskar utbytbarheten. Två prismatiska celler med liknande kemi och kapacitet passar inte nödvändigtvis i samma paket eller med samma gränssnitt för kompression, kylning och elektrisk anslutning.

Volkswagen-koncernens Unified Cell, utvecklad av PowerCo, är ett exempel på standardisering inom en fordonskoncern. Det är en prismatisk plattform avsedd att fungera med olika leverantörer, fordon och elektrodkemier. PowerCo inledde produktionen med en NMC-version och uppger att LFP-varianter ska följa. (Volkswagen Group)

Unified Cell är inte en ny kemi och gör inte alla versioner elektrokemiskt identiska. Elektrodmaterial, materialmängd, kapacitet, spänningsfönster, laddningsförmåga och termiska krav kan fortfarande skilja sig inom ett gemensamt yttre koncept.

Långa prismatiska celler och bladformade celler

En bladformad cell är en lång och smal prismatisk cell. Det är inte ett fjärde grundformat.

BYD:s Blade Battery använder långa, platta LFP-celler som placeras direkt i en grupp utan traditionella mellanliggande moduler.

BYD beskriver varje cell som en del av paketets bärande struktur. Den långa formen låter en cell sträcka sig över en stor del av höljet, minskar antalet upprepade elektriska anslutningar och ger breda ytor för värmeöverföring. (BYD)

Många av de fördelar som tillskrivs en bladformad cell kommer från samspelet mellan dess dimensioner och paketet som byggs kring den. En lång prismatisk cell ger inte automatiskt hög energitäthet på paketnivå, snabb laddning eller goda krockegenskaper.

Begränsningarna följer också av den nära integreringen:

Cellens längd och paketets bredd måste utformas tillsammans
Kraven på inriktning och måttoleranser gäller över en lång komponent
Temperatur och tryck måste hållas under kontroll längs hela cellen
En cell innehåller en betydande energimängd
Det kan vara svårt att byta en enskild cell i en starkt integrerad struktur

Blade Batterys termiska beteende beror också på LFP-kemin, elektrodkonstruktionen, laddningsnivån och BYD:s kompletta paketsystem. Cellformen ska inte tillskrivas beteenden som egentligen beror på kemin.

Fördelar med prismatiska celler

Effektivt utnyttjande av rektangulärt paketutrymme
Färre celler och elektriska anslutningar
Styvt hölje och definierade avluftningskomponenter
Breda ytor för kylning och kompression
Dimensioner som kan anpassas till en fordonsplattform
God kompatibilitet med paketkoncept utan moduler

Begränsningar med prismatiska celler

Stora plana ytor kräver kontrollerad expansion och kompression
Interna temperaturskillnader kan uppstå i en stor cell
Varje cell innehåller en betydande energimängd
Mått och gränssnitt är ofta leverantörsspecifika
En cell som utformats för en plattform kan vara svår att återanvända någon annanstans
Stora celler gör paketet mer känsligt för varje cells enhetlighet

Påsceller

En påscell använder ett flexibelt laminerat hölje i stället för en styv metallbehållare. Filmen kombinerar normalt ett barriärskikt av aluminium med polymerskikt som ger elektrisk isolering, mekaniskt skydd och värmeförseglingsbara ytor.

Påsen innehåller en lindad, staplad, laminerad eller vikt elektrodenhet. Stora påsceller för fordon använder ofta staplade konstruktioner eftersom rektangulära lager kan utnyttja höljet effektivt.

Under LG Energy Solutions montering av påsceller staplas laminerade elektrodenheter, anslutningar svetsas till stapeln och stapeln förs in i en formad påse. Elektrolyt tillsätts genom en tillfällig gasficka. Gas som bildas under de första formeringscyklerna avlägsnas senare innan påsen får sin slutliga försegling. (LG Energy Solution)

Det laminerade höljet tillför liten cellhöljemassa, men håller inte tillbaka elektroderna som en styv behållare. En påscell måste betraktas som en del av ett mekaniskt system som omfattar:

Kompressionsplattor eller ramar
Eftergivliga mellanlägg som tar upp expansion
Skydd för cellkanter och anslutningstätningar
Ett kontrollerat kylgränssnitt
Barriärer mellan intilliggande celler
Stöd som förhindrar böjning under montering och fordonsdrift

Påsceller ändrar normalt tjocklek något när de cyklas. Ytterligare svällning kan uppstå när cellen åldras eller om sidoreaktioner bildar gas. Kompressionen måste vara tillräckligt stark och jämn för att bibehålla kontakten, men inte så hög eller ojämn att elektrodstapeln skadas.

Kylning av påsceller

Påscellens breda ytor ger en stor möjlig kylyta. Kylplattor kan ligga mot en eller båda ytorna, eller så kan paketet leda bort värme via en kant eller elektrodflikarna.

God ytkontakt är avgörande. Om svällning, toleransvariation eller otillräcklig kompression skapar ett mellanrum ökar det lokala termiska motståndet. Mellanlägg och termiska gränssnittsmaterial måste bibehålla kontakten samtidigt som normala dimensionsförändringar tillåts.

Värme färdas lättare längs elektrodens metallfolier än direkt genom de många elektrod- och separatorlagren. En yttemperatur kan därför dölja ett varmare inre område, särskilt i en stor eller tjock cell.

Fördelar med påsceller

Låg höljemassa
Effektivt utnyttjande av cellens invändiga volym
Flexibel bredd, höjd och tjocklek
Breda ytor som kan kopplas till kylplattor
Färre celler än i paket med små cylindriska format
Kompatibilitet med staplad elektrodkonstruktion

Begränsningar med påsceller

Paketet måste ge merparten av det mekaniska stödet
Kompression och utrymme för expansion är nödvändiga
Laminerade kanter och anslutningstätningar behöver noggrant skydd
Stora flexibla celler är krävande att hantera och montera
Svällning kan förändra kylkontakten och det mekaniska trycket
Ramar, mellanlägg och skydd motverkar en del av viktbesparingen på cellnivå

Så påverkar cellformatet paketkonstruktionen

Cellformatet verkar inte isolerat. Dess värde beror på hur väl paketarkitekturen utnyttjar styrkorna och kompenserar för begränsningarna.

Cellantal och elektriska anslutningar

Ett paket med tusentals små cylindriska celler behöver många svetsar och parallella strömvägar. Ett paket med stora prismatiska celler eller påsceller behöver betydligt färre anslutningar, men varje anslutning leder mer ström och varje cell utgör en större del av paketets kapacitet.

Färre celler kan förenkla mätning och montering. Fler celler kan ge finare kapacitetssteg och fler parallella vägar. Ingen strategi garanterar tillförlitlighet: produktionskvalitet, förbindningskonstruktion, feldetektering och elektriskt skydd avgör resultatet.

Kylvägar

Cylindriska celler har välvda ytor och flera möjliga kylriktningar. Prismatiska celler och påsceller har breda, plana ytor men kan utveckla temperaturskillnader genom tjockleken.

Kylsystemet måste anpassas till:

Var värmen bildas inne i cellen
Hur lätt värmen färdas genom elektrodenheten
Avståndet från det varmaste inre området till kylmediet
Laddnings- och urladdningseffekten
Den godtagbara temperaturskillnaden mellan cellerna
Cellens expansion under hela livslängden

Det är därför samma format kan fungera mycket olika i två fordon.

Kompression och strukturellt stöd

Påsceller kräver extern kompression. Stora prismatiska celler behöver också kontrollerad fasthållning, även om deras behållare ger mer stöd. Cylindriska behållare är mer självbärande men behöver fortfarande exakt placering och skydd mot vibrationer och stötar.

Den omgivande strukturen tillför massa och tar plats. Energitäthet på cellnivå ska därför inte förväxlas med energitäthet på paketnivå.

Felenergi och spridning

En större cell innehåller mer energi, så ett allvarligt fel kan frigöra mer värme och gas från en enda plats. En mindre cell innehåller mindre energi, men paketet har fler angränsande celler och fler möjliga spridningsvägar.

Formatet påverkar avluftningsriktning, avstånd, barriärer och värmeöverföring, men kan inte ensamt avgöra säkerheten. Kemi, laddningsnivå, cellkvalitet, skyddsanordningar, kylning, krockstruktur, gashantering och spridningsprovning spelar alla roll.

Cell-till-paket är inte ett cellformat

Cell-till-paket innebär att cellerna integreras i paketet utan traditionella självständiga moduler. Cylindriska, prismatiska och påsformade celler kan alla användas i modullösa konstruktioner.

Att ta bort modulhöljen och dubblerad struktur kan förbättra utrymmes- och masseffektiviteten. Samtidigt överförs fler uppgifter till pakethöljet, bland annat:

Placering och fasthållning av celler
Elektrisk isolering
Kylkontakt
Hantering av krocklaster
Brand- och gashantering
Styrning av tillverkningstoleranser
Service- och reparationsstrategi

Resultatet beror på hela konstruktionen, inte bara på att modulerna tas bort.

Tillverkning, reparation och återvinning

Standardiserade små celler kan förenkla cellproduktionen men ge en komplicerad paketmontering. Stora plattformsspecifika celler kan förenkla paketmonteringen men kräva särskilda cellverktyg och särskild hantering.

Starkt integrerade paket kan minska antalet delar och vikten, men lim, strukturskum, långa celler och direkt cell-till-paket-montering kan göra diagnostik, demontering och byte av enskilda celler svårare.

Återvinningsprocesser måste också hantera olika höljen, lim, kylmaterial och demonteringsvägar. Energidepartementet konstaterar att cellhöljet och elektrodenheten påverkar hur lätt celler kan öppnas och bearbetas. (US Department of Energy)

Vad cellformatet betyder för en elbilsköpare

Cellformat är användbart för att förstå tekniska val, men är ingen kvalitetsrangordning.

Ett fordon:

Laddar inte automatiskt snabbare för att det använder cylindriska celler
Får inte automatiskt längre räckvidd för att det använder påsceller
Håller inte automatiskt längre för att det använder prismatiska celler
Motstår inte automatiskt termisk spridning för att det använder bladformade celler
Får inte automatiskt hög energitäthet på paketnivå för att det använder cell-till-paket-konstruktion

För en viss elbil är följande frågor mer användbara:

Vilken brutto- och användbar batterikapacitet har den?
Hur effektivt är fordonet?
Hur ser laddningskurvan ut?
Kan batteriet förkonditioneras före snabbladdning?
Hur förändras laddningen i kalla eller varma förhållanden?
Hur kyler och värmer temperaturhanteringssystemet cellerna?
Vilka villkor gäller för degradering och garanti?
Hur har tillverkaren provat spridning mellan celler?
Kan moduler eller enskilda cellgrupper diagnostiseras och bytas?
Kräver en paketreparation att hela batteriet byts?

Formatet hjälper till att förklara varför en tillverkare valde en viss kyl-, struktur-, tillverknings- eller servicestrategi. Det färdiga fordonet avgör om strategin fungerar väl.

För materialen i respektive format, se Cellkemi och komponenter. De elektriska anslutningarna och den strukturella hierarkin behandlas i Batteripaket och konfiguration, medan kylsystem förklaras i Temperaturhantering för elbilsbatterier.