Es gibt drei Hauptbauformen von Lithium-Ionen-Batteriezellen (Li-Ion): Rundzellen, prismatische Zellen und Pouchzellen. In der EV-Branche drehen sich die vielversprechendsten Entwicklungen um Rund- und prismatische Zellen. Während das Rundzellenformat in den letzten Jahren am beliebtesten war, deuten mehrere Faktoren darauf hin, dass prismatische Zellen die Führung übernehmen könnten.
Da Laserax Laserlösungen für die Batteriefertigung anbietet, beobachten wir diese Entwicklungen genau. Bevor wir auf die mögliche weitere Entwicklung eingehen, geben wir zunächst einen kurzen Überblick über beide Zelltypen.
Eine prismatische Zelle ist eine Batteriezelle, deren chemisch aktive Komponenten in einem starren Gehäuse eingeschlossen sind. Ihre rechteckige Form erlaubt es, mehrere Einheiten effizient in einem Batteriemodul zu stapeln. Es gibt zwei Arten prismatischer Zellen: Die Elektrodenfolien im Inneren des Gehäuses (Anode, Separator, Kathode) werden entweder gestapelt oder gewickelt und flachgepresst.
Bei gleichem Volumen können gestapelte prismatische Zellen mehr Energie auf einmal abgeben und damit eine höhere Leistung bieten. Abgeflachte prismatische Zellen speichern dagegen mehr Energie und ermöglichen dadurch eine längere Betriebsdauer.
Prismatische Zellen werden vor allem in Energiespeichersystemen und Elektrofahrzeugen eingesetzt. Aufgrund ihrer Größe sind sie für kleinere Geräte wie E-Bikes und Mobiltelefone weniger geeignet. Dafür eignen sie sich besonders gut für energieintensive Anwendungen.
Eine Rundzelle ist eine Zelle, die in einem starren zylindrischen Becher eingeschlossen ist. Rundzellen sind klein und rund, sodass sie sich in Geräten unterschiedlichster Größe anordnen lassen. Anders als bei anderen Zellformaten verhindert ihre Form das Aufblähen der Zelle. Bei diesem unerwünschten Vorgang sammeln sich Gase im Gehäuse an.
Rundzellen wurden zunächst in Laptops eingesetzt, die zwischen drei und neun Zellen enthielten. Größere Bekanntheit erlangten sie, als Tesla sie in seinen ersten Elektrofahrzeugen (dem Roadster und dem Model S) einbaute und somit verwendete. Die Batterien enthielten zwischen 6.000 und 9.000 Zellen.
Rundzellen werden außerdem in E-Bikes, Medizingeräten und Satelliten verwendet. In der Raumfahrt sind sie wegen ihrer Form ebenfalls unverzichtbar; andere Zellformate würden durch den atmosphärischen Druck verformt. Der zuletzt zum Mars geschickte Rover zum Beispiel arbeitet mit Rundzellen. Die Hochleistungs-Rennwagen der Formel E nutzen in ihrer Batterie ebenfalls genau dieselben Zellen wie der Rover.
Die Form ist nicht das Einzige, was prismatische Zellen und Rundzellen unterscheidet. Weitere wichtige Unterschiede sind ihre Größe, die Zahl der elektrischen Verbindungen und ihre Leistungsabgabe.
Prismatische Zellen sind deutlich größer als Rundzellen und speichern daher mehr Energie pro Zelle. Zur groben Einordnung: Eine einzelne prismatische Zelle kann die gleiche Energiemenge enthalten wie 20 bis 100 Rundzellen. Durch ihre geringere Größe lassen sich Rundzellen dagegen auch in Anwendungen mit niedrigerem Leistungsbedarf einsetzen. Entsprechend decken sie ein breiteres Anwendungsspektrum ab.
Da prismatische Zellen größer sind als Rundzellen, werden für die gleiche Energiemenge weniger Einzelzellen benötigt. Bei gleichem Batterievolumen müssen deshalb weniger elektrische Verbindungen geschweißt werden. Das ist ein wesentlicher Vorteil prismatischer Zellen, weil es weniger mögliche Fehlerstellen im Fertigungsprozess gibt.
Rundzellen speichern zwar weniger Energie als prismatische Zellen, können diese Energie jedoch mit höherer Leistung abgeben. Der Grund dafür liegt in der größeren Anzahl an Verbindungen pro Amperestunde (Ah). Rundzellen eignen sich daher besonders für Hochleistungsanwendungen, während prismatische Zellen Vorteile bei der Optimierung der Energieeffizienz bieten.
Zu den im Ausgangstext genannten Hochleistungsanwendungen gehören Formel-E-Rennwagen und der Mars-Hubschrauber Ingenuity. Beide benötigen extreme Leistung unter extremen Umgebungsbedingungen.
Die EV-Branche entwickelt sich schnell, und es ist ungewiss, ob sich prismatische Zellen oder Rundzellen durchsetzen werden. Im Moment sind Rundzellen in der EV-Branche stärker verbreitet, doch es gibt Gründe zu der Annahme, dass prismatische Zellen an Beliebtheit gewinnen werden.
Erstens bieten prismatische Zellen die Möglichkeit, die Kosten durch weniger Fertigungsschritte zu senken. Durch ihr Format lassen sich größere Zellen herstellen. Dadurch sinkt die Anzahl der elektrischen Verbindungen, die gereinigt und geschweißt werden müssen.
Prismatische Zellen sind außerdem ein geeignetes Format für die Lithium-Eisenphosphat-Chemie (LFP), die auf kostengünstigeren und besser verfügbaren Materialien beruht. Anders als andere Zellchemien benötigen LFP-Batterien keine seltenen und teuren Materialien wie Nickel und Kobalt, die die Kosten anderer Zelltypen erhöhen.
Es gibt also deutliche Anzeichen für eine zunehmende Verbreitung prismatischer LFP-Zellen. Denn in Asien setzen Hersteller von Elektrofahrzeugen bereits LiFePO4-Batterien ein, eine Ausführung der LFP-Batterie im prismatischen Format. Tesla gab zudem an, in China hergestellte prismatische Batterien für Standardreichweiten-Versionen seiner Fahrzeuge zu verwenden.
Die LFP-Chemie hat jedoch auch wesentliche Nachteile. Zum einen speichert sie weniger Energie als andere gebräuchliche Zellchemien und eignet sich daher nicht für elektrische Hochleistungsfahrzeuge wie Formel-1-Rennwagen. Zum anderen fällt es Batteriemanagementsystemen (BMS) schwer, den Ladezustand der Batterie präzise vorherzusagen.
Das in der englischen Quelle eingebundene Video erläutert die LFP-Chemie und die Gründe für ihre zunehmende Verbreitung.
Was die Nachfrage nach der Produktion von Batteriepacks angeht, sind Energiespeichersysteme (ESS) genauso wichtig wie Elektrofahrzeuge. ESS nutzen bereits prismatische Zellen, und es ist sehr wahrscheinlich, dass sie das weiterhin tun werden. Prismatische Zellen haben eine längere Zyklenlebensdauer, sind weniger gefährlich und im Vergleich zu Rundzellen kostengünstig.
Mit ihrem tab-losen Zelldesign, ihrer hohen Energiedichte und ihren niedrigen Fertigungskosten ist Teslas 4680-Rundzelle derzeit wohl die bemerkenswerteste Batteriezelle. Doch zuletzt hat Elon Musk über die Vorteile prismatischer Zellen gesprochen, und Tesla hat begonnen, sie in bestimmten Fahrzeugmodellen einzusetzen.
Die 4680-Rundzellen wurden noch nicht durch prismatische Zellen ersetzt, doch Teslas nächster Schritt wird zeigen, was die Zukunft bringt. Werden sie die Nickel-Cobalt-Aluminiumoxid-Chemie (NCA) der 4680 durch die LFP-Chemie ersetzen? Und falls ja, werden sie zu prismatischen Zellen wechseln, dem bevorzugten Format für diese Chemie? Angesichts der weltweit gestiegenen Rohstoffkosten ist das eine starke Möglichkeit.
Mit einem Laserexperten sprechen
Als technischer Experte und Berater für Batterien und elektrische Antriebssysteme verfügt Stéphane über einen Abschluss in Physik mit den Schwerpunkten Photonik, Optik, Elektronik, Robotik und Akustik. Im Rahmen seines Engagements für den Umstieg auf Elektrofahrzeuge hat er industrielle Akkupacks für E-Bikes entwickelt. Nebenbei betreibt er einen YouTube-Kanal rund um das Thema Elektrotechnik.
In den letzten Jahren haben Rechenzentren ein beispielloses Wachstum erlebt, das vor allem durch die rasante Entwicklung der künstlichen Intelligenz (KI) angetrieben wurde. Dieser Anstieg geht mit einem enormen Energiebedarf einher, da immer mehr Rechenzentren gebaut werden und die Rechenlasten immer energieintensiver werden.
Lithium-Ionen-Batterien stellen seit Jahren eine zuverlässige Stromversorgung für eine Vielzahl von Geräten und Elektrofahrzeugen dar. Doch nun kündigt sich mit den Festkörperbatterien eine neue Generation von Stromspeichern an, die das Potenzial hat, die Branche zu revolutionieren. Es stellt sich jedoch die Frage, inwiefern diese Behauptung zutrifft.
Die Batterie ist das teuerste Teil in einem Elektroauto, daher ist ein zuverlässiger Herstellungsprozess wichtig, um kostspielige Defekte zu vermeiden. Zudem ist die Nachfrage nach Batterien für Elektrofahrzeuge hoch, was die Hersteller unter Druck setzt, die Produktion zu maximieren, ohne Kompromisse bei der Qualität einzugehen. Daher ist Roboterautomatisierung fast überall bei der Herstellung von Batterien zu finden.
