Prismatische vs. zylindrische Batteriezellen: Was ist der Unterschied?

Die zentralen Thesen:

• Prismatische vs. zylindrische Zellen: Prismatische Zellen bieten eine höhere volumetrische Energiedichte und eignen sich für große Batteriepacks, während zylindrische Zellen eine höhere gravimetrische Energiedichte und niedrigere Herstellungskosten bieten.
• Ideale Anwendungsfälle: Prismatische Zellen eignen sich hervorragend für Batteriepakete von Elektrofahrzeugen und große Energiespeichersysteme, während zylindrische Zellen für Unterhaltungselektronik und Elektrowerkzeuge bevorzugt werden.
• Trends und Ausblick: Die Verlagerung hin zu prismatischen Zellen für Elektrofahrzeuge und Energiespeichersysteme ist offensichtlich, aber zylindrische Zellen bleiben bei kostensensiblen Anwendungen dominant.

Prismatisch und zylindrisch sind die beiden häufigsten Litium-Ionen-Batterie Zellformen, die heute verwendet werden. Während beide für unterschiedliche Anwendungen unterschiedliche Vor- und Nachteile haben, erfreuen sich prismatische Zellen aufgrund ihrer effizienten Packfähigkeit und Eignung für große Anwendungen immer größerer Beliebtheit Akkupacks. In diesem Artikel werden prismatische und zylindrische Zellen ausführlich verglichen und die wichtigsten Unterschiede in Größe, Leistung, Kosten und idealen Anwendungsfällen analysiert.

Was sind prismatische Batteriezellen?

Definition und Beschreibung prismatischer Zellen

Prismatische Batteriezellen haben, wie der Name schon sagt, eine prismatische Form – Sie haben einen rechteckigen, kastenartigen Formfaktor. Der Begriff “prismatisch” bezieht sich auf eine geometrische Prismenform.

Prismatische Zellen maximieren die flachen Oberflächen der Anoden-, Kathoden- und Separatorschichten und ermöglichen so eine effiziente Stapelung.

Wie prismatische Zellen aufgebaut sind

Prismatische Zellen werden hergestellt, indem abwechselnd Schichten aus Kathoden-, Anoden- und Separatormaterial gestapelt und dann in einer rechteckigen Aluminium- oder Stahldose eingeschlossen werden. Die Elektrodenschichten sind über Laschen verbunden und ermöglichen so den Stromfluss.

Es enthält auch Elektrolyt für den Ionentransport. Das harte Gehäuse trägt dazu bei, die Form der Zelle beizubehalten und sorgt für strukturelle Integrität.

Gängige prismatische Zellgrößen und Chemie

Zu den gängigen prismatischen Lithium-Ionen-Batteriegrößen gehören 103450 (103 mm x 45 mm), 14650 (146 mm x 50 mm) und größere Formate wie 22700 und 32113. Im Gegensatz zur zylindrischen 18650-Zelle sind diese Größen speziell für prismatische Geometrien gedacht.

Prismatische Zellen werden häufig in Modulen gebündelt und effizient verpackt, um große Batteriepakete für Elektrofahrzeuge, Energiespeichersysteme und andere Anwendungen zu bilden, die eine hohe Kapazität erfordern.

Lithiumeisenphosphat (LiFePO4) und Nickel-Mangan-Kobaltoxid (NMC) sind zwei beliebte Kathodenchemikalien, die in prismatischen Zellen verwendet werden. Das prismatische Format ermöglicht Flexibilität bei der Kathodenformulierung und den Zellenabmessungen, um die Leistung zu optimieren.

Was sind zylindrische Batteriezellen?

Definition und Beschreibung zylindrischer Zellen

Zylindrische Batteriezellen haben, wie der Name schon sagt, eine lange Zylinderform, die einer Röhre oder Dose ähnelt. Die positiven und negativen Elektrodenblätter werden aufgerollt oder aufgewickelt “Geleerolle” und in einer zylindrischen Metalldose platziert, typischerweise aus Stahl oder Aluminium. Dadurch entsteht in der Zelle ein abwechselnder spiralförmiger Stapel aus Kathoden-, Anoden- und Separatormaterial.

Das zylindrische Design maximiert die Fläche der Elektrodenblätter, die in den begrenzten Raum passt. Die radiale Symmetrie trägt außerdem dazu bei, Spannungen und innere Kräfte gleichmäßig zu verteilen. Zylindrische Zellen sind in verschiedenen Durchmessern und Höhen erhältlich, um unterschiedlichen Kapazitäten gerecht zu werden.

Wie zylindrische Zellen aufgebaut sind

Zylindrische Zelle Herstellung beginnt mit der Beschichtung der Kathoden- und Anodenbleche auf dünnen Metallfolien, normalerweise Kupfer für die Anode und Aluminium für die Kathode. Diese beschichteten Blätter werden dann eng mit einer Separatormembran umwickelt, um die Jelly-Roll-Elektrodenbaugruppe zu bilden. Gelegentlich werden die Elektrodenblätter gestapelt und gefaltet statt gewickelt.

Die Biskuitrolle wird in die zylindrische Stahl- oder Aluminiumdose eingesetzt, die als Außenhülle dient. Ein Deckel und eine Dichtung verschließen die Dose. Abschließend wird Elektrolyt in die Zelle eingespritzt, um den Ionenfluss zwischen Anode und Kathode zu ermöglichen. Die zylindrische Dose sorgt für Struktur und schützt die Elektroden.

Automatisierte Wickelmaschinen sorgen bei der Großserienproduktion für eine gleichmäßige Festigkeit und Ausrichtung der Biskuitrollen. Eine präzise Wicklung ist entscheidend, um den elektrischen Widerstand zu minimieren und die Leistung zu maximieren.

Gängige zylindrische Zellgrößen und Chemie

Einige der am häufigsten verwendeten zylindrischen Lithium-Ionen-Batteriegrößen sind 18650, 26650, 21700 und 20700 Zellen. Die Größe 18650 wird häufig in Laptop-Akkus, Elektrowerkzeugen und anderen Verbrauchergeräten verwendet. Größere Formate wie 21700 und 26650 erfreuen sich bei E-Bikes, Rollern und Elektrofahrzeugen zunehmender Beliebtheit.

Zylindrische Zellen verwenden traditionell Lithiumkobaltoxid (LiCoO2) und Lithiummanganoxid (LiMn2O4) als Kathodenmaterialien. Mittlerweile sind auch nickelreiche Chemikalien wie Nickel-Kobalt-Aluminiumoxid (NCA) und Nickel-Mangan-Kobaltoxid (NMC) in zylindrischen Hochleistungszellen üblich.

Hauptunterschiede zwischen prismatischen und zylindrischen Zellen

Größe und Form

• Prismatische Zellen sind typischerweise größer. Gängige Prismengrößen reichen von 103450 (103 x 45 mm) bis 530450 (530 x 450 mm) oder größer.
• Zu den gängigen zylindrischen Zellengrößen gehören 18650 (18 x 65 mm), 26650 (26 x 65 mm) und 21700 (21 x 70 mm). Zylindrische Zellen haben eine maximale Größe von etwa 46 x 150 mm.
• Prismatische Zellen haben eine volumetrische Energiedichte von etwa 600–700 Wh/L im Vergleich zu 500–600 Wh/L bei zylindrischen Zellen.

Leistungs- und Energiedichte

• Zylindrische Zellen erreichen eine höhere gravimetrische Energiedichte von 260 Wh/kg im Vergleich zu rund 200 Wh/kg bei prismatischen Zellen.
• Die Leistungsdichte für hochwertige zylindrische Zellen erreicht bis zu 1500 W/kg gegenüber 1000–1200 W/kg für prismatische Zellen.

Herstellung und Kosten

• Wickelmaschinen für zylindrische Zellen können bei geringeren Arbeitskosten über 300.000 Zellen pro Tag produzieren.
• Die Herstellung prismatischer Zellen im großen Maßstab erfordert komplexere Stapel-, Press- und Schweißschritte. Die Produktion beträgt rund 50.000 Zellen pro Tag.
• Dadurch haben zylindrische Zellen derzeit 15–20 % geringere Kosten pro kWh im Vergleich zu prismatischen Zellen.

Leistung und Lebensdauer

• Prismatische Zellen halten oft über 5.000 Lade-/Entladezyklen durch, bevor sie um 20 % an Leistung verlieren.
• Zylindrische Zellen erreichen typischerweise 2.000–3.000 Zyklen, bevor sie aufgrund der stärkeren Schwellung zu 20 % abgebaut werden.
• Prismatische Zellen haben einen um 5–10 % höheren Widerstand, was die Leistungsfähigkeit leicht verringert.

Hier ist der Abschnitt darüber, wann prismatische oder zylindrische Zellen verwendet werden sollten:

Wann sollten prismatische oder zylindrische Zellen verwendet werden?

Anwendungen, die besser für prismatische Zellen geeignet sind

• Batteriepakete für Elektrofahrzeuge
• Große Energiespeichersysteme
• Anwendungen, die eine hohe Energiedichte erfordern

Prismatische Zellen eignen sich gut für diese Anwendungen, da ihre Form und Konstruktion effiziente Batteriepacks mit hoher Kapazität ermöglichen. Die rechteckige Prismenform lässt sich besser stapeln und packen als zylindrische Zellen.

Prismatische Zellen bieten außerdem Vorteile wie ein besseres Wärmemanagement und eine strukturelle Steifigkeit zur Verhinderung von Schwellungen.

Anwendungen, die besser für zylindrische Zellen geeignet sind

• Unterhaltungselektronik
• Elektrowerkzeuge
• Anwendungen, die kostengünstigere Zellen erfordern

Zylindrische Zellen eignen sich gut für diese Anwendungen, da sie in großen Stückzahlen kostengünstig herzustellen sind. Die zylindrische Form sorgt außerdem für eine gute Leistungsdichte und schnelle Ladefähigkeit, was für Geräte wie Elektrowerkzeuge wichtig ist. Ihr kleinerer Formfaktor passt gut in tragbare Elektronikgeräte.

Aktuelle Trends und Zukunftsaussichten

• Verlagerung hin zu prismatischen Zellen für Batteriepakete von Elektrofahrzeugen und große Energiespeichersysteme. Aufgrund der Verpackungs- und Leistungsvorteile setzen Hersteller zunehmend auf prismatische Zellen.
• Zylindrische Zellen werden aufgrund ihrer geringeren Kosten immer noch für viele Unterhaltungselektronikgeräte und Werkzeuge bevorzugt. Aber auch einige Premium-Geräte wechseln zu prismatischen Zellen.
• Wenn die Herstellungskosten prismatischer Zellen weiter sinken, könnten sie in Zukunft in allen Anwendungen mehr Marktanteile erobern. Bei kostensensiblen Anwendungen dürften jedoch zylindrische Zellen weiterhin die Vorherrschaft behalten.

Die Vor- und Nachteile von prismatischen vs. zylindrischen Batteriezellen

Bei der Auswahl zwischen prismatischen und zylindrischen Lithium-Ionen-Zellen sind je nach Anwendungsanforderungen Kompromisse zu berücksichtigen. Prismatische Zellen bieten dank ihrer Form und ihres starren Gehäuses eine hervorragende Energiedichte und eignen sich daher ideal für Batteriepacks, bei denen die Kapazität maximiert werden muss. Allerdings liefern zylindrische Zellen eine höhere Spitzenleistung und geringere Kosten, allerdings auf Kosten der Packungsdichte und Quellungsproblemen.

Für Verbrauchergeräte mit geringem Stromverbrauch, bei denen die Kosten eine entscheidende Rolle spielen, bleiben zylindrische Zellen die vorherrschende Wahl. Aber Anwendungen, die höchste Energiedichten erfordern, wie z. B. Elektrofahrzeuge, verlagern sich trotz ihrer höheren Kosten auf prismatische Formate. Mit kontinuierlichen Verbesserungen bei Herstellung und Dichte werden prismatische Zellen in Zukunft wahrscheinlich für mehr Anwendungen an Attraktivität gewinnen. Aber auch die einfache Herstellung bedeutet, dass zylindrische Zellen weiterhin Bestand haben werden, insbesondere für kostensensible Anwendungen.

Durch sorgfältiges Abwägen dieser Vor- und Nachteile können Batterieingenieure den optimalen Zelltyp auswählen, der ihren Anforderungen an Leistung, Lebensdauer und Kosten entspricht.

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