Wenn Ingenieure und Beschaffungsteams von “EV-Batteriemodultypen” sprechen, ist die Zellform – die physikalische Geometrie und das Gehäuse der einzelnen elektrochemischen Einheit – der entscheidende Faktor. Die Zellform bestimmt, wie die Zellen in einem Modul angeordnet sind, wie die Wärme aus dem Akkumulator abgeleitet wird, wie die Ausdehnung der Zellen reguliert wird und welche Kühlplatten und Schnittstellen für das Wärmemanagement erforderlich sind. Zylindrische, prismatische und Pouch-Zellen bringen jeweils spezifische Kompromisse hinsichtlich Energiedichte, Wärmemanagement, Herstellungskosten und Sicherheit mit sich. Es gibt keine universelle Zellform, die für jede Anwendung geeignet ist.
Bei Trumonytechs arbeiten wir mit allen drei Zellformaten in Programmen zum Wärmemanagement von Elektrofahrzeugen und Energiespeichersystemen. Das Zellformat ist einer der wichtigsten vorgelagerten Faktoren für die Geometrie der Kühlplatte, die Auswahl des Wärmeleitmaterials und die Spezifikation des Anpressdrucks.
Die drei wichtigsten Batteriezellenformate für Elektrofahrzeuge
Zylindrische Zellen
Zylindrische Zellen sind die älteste in Serie gefertigte Lithium-Ionen-Batterieform. Sie bestehen aus einem starren Metallzylinder, dessen Elektrodenmaterial zu einer starren Metallzelle gerollt wird – ähnlich einer Standard-AA-Batterie, nur größer. Gängige Bauformen sind beispielsweise 18650, 21700 und Teslas 4680.
Die Hauptvorteile dieses Formats liegen in der ausgereiften Fertigung und der breiten Lieferkette. Zylindrische Zellen nutzen hochautomatisierte Produktionslinien und profitieren von starken Skaleneffekten. Dies hält die Stückkosten niedrig und reduziert das Risiko der Abhängigkeit von einem einzigen Lieferanten. Das starre Gehäuse bietet einen inhärenten strukturellen Schutz. Im Gegensatz zu prismatischen oder Pouch-Zellen dehnen sich zylindrische Zellen während der Lade- und Entladezyklen nicht aus. Dies vereinfacht die Konstruktion der Modulkompression.
Aus Sicherheitsgründen können Packungen durch die Anordnung zylindrischer Zellen die Ausbreitung zwischen benachbarten Zellen begrenzen. Flache Packungen bieten dies nicht automatisch. Die Anordnung zylindrischer Zellen ist eine der strukturellen Maßnahmen gegen die Ausbreitung von Keimen. thermisches Durchgehen von Zelle zu Zelle dass flache Formate durch andere Gestaltungsmaßnahmen berücksichtigt werden müssen.
Der Hauptnachteil liegt in der volumetrischen Effizienz des Speichers. Zwischen den Zylindern sind Lücken unvermeidbar. Dies reduziert die Platzausnutzung im Vergleich zu flachen Bauformen. Um die gleiche Energiespeicherung zu erreichen, werden zudem mehr Zellen benötigt als bei großformatigen prismatischen Bauformen. Das erhöht die Komplexität des Gebäudeleitsystems und den Aufwand für die elektrischen Anschlüsse.
Tesla baute seine ersten Fahrzeuge um zylindrische Zellen herum – zuerst um 18650er, dann um 21700er, dann um 4680er. Die Wahl wurde durch Verfügbarkeit, Fertigungsreife und Kosten bestimmt.
Prismatische Zellen
Prismatische Zellen umschließen Elektrodenmaterialien in einem starren, rechteckigen Gehäuse aus Aluminium oder Stahl. Die flache, stapelbare Geometrie optimiert die Raumausnutzung. Mehrere Zellen lassen sich mit minimalem Totvolumen direkt übereinander stapeln.
Die hohe Zellkapazität – typischerweise 50–200 Ah in Elektrofahrzeugen – reduziert die Gesamtzellenanzahl und vereinfacht das Design von Batteriemanagementsystem (BMS) und Stromschienen. Die ebenen Oberflächen ermöglichen den direkten Kontakt mit der Kühlplatte. Die gestapelte interne Schichtkonfiguration trägt außerdem zur Wärmeableitung über die Zelldicke bei. Dadurch eignen sich prismatische Zellen besonders für Anwendungen, bei denen ein effizientes Wärmemanagement Priorität hat.
Die Quellung ist ein wichtiger Konstruktionsaspekt. Prismatische Zellen dehnen sich während des Lade-Entlade-Zyklus aus, da sich Gase bilden und die Elektroden verschieben. Modulgehäuse müssen daher ausreichend Spielraum für diese Ausdehnung bieten. Ohne adäquates Kompressionsmanagement führt die Quellung zu ungleichmäßigem Anpressdruck an der Kühlplattenoberfläche und verschlechtert mit der Zeit die thermische Gleichmäßigkeit. Das Ausmaß der Quellung hängt von der Zellchemie, der Kapazität und der Zyklenhistorie ab. Es handelt sich nicht um einen festen Wert für alle prismatischen Bauformen, sondern sollte für die jeweilige Zelle individuell ermittelt werden.
CATL und Samsung SDI liefern großformatige prismatische Zellen für eine Vielzahl von OEM-Programmen. Die Blade-Batterie von BYD ist eine wichtige Variante dieser prismatischen Zellen. Die Blade-Batterie nutzt eine längliche Zellgeometrie, die sich direkt in die Akkupackstruktur integriert und so die Zwischenmodulschicht überflüssig macht. Laut BYD erreichen Blade-Akkupacks eine deutlich höhere Raumausnutzung als herkömmliche modulbasierte Architekturen und bieten gleichzeitig eine verbesserte thermische Stabilität und ein geringeres Risiko eines thermischen Durchgehens. Tesla führte LFP-Prismenzellen – von CATL – in den in China gefertigten Standard-Modellen des Model 3 und Model Y ein, um die Kosten zu senken und eine direktere Integration in den Akkupack zu ermöglichen.
Pouchzellen
Pouchzellen umschließen Elektrodenmaterialien in einer flexiblen, laminierten Aluminium-Kunststoff-Folie. Dadurch erreichen sie die höchste gravimetrische Energiedichte der drei Formate. Zudem ermöglicht diese Bauform die Anpassung der Zellgeometrie an unregelmäßige oder platzbeschränkte Moduldesigns.
Dieser Vorteil der Pouch-Zellen bringt jedoch zwei konstruktionstechnische Herausforderungen mit sich. Erstens weisen Pouch-Zellen eine relativ geringe Wärmeleitfähigkeit durch das Pouch-Material auf. Für thermisch kritische Anwendungen kann eine größere Kontaktfläche der Kühlplatte oder eine beidseitige Kühlung – Kühlplatten auf beiden Seiten des Zellstapels – erforderlich sein. Zweitens quellen Pouch-Zellen während des Lade-Entlade-Zyklus auf. Im Gegensatz zu prismatischen Zellen mit starren Gehäusen muss die Quellung von Pouch-Zellen auf Modulebene durch Kompressionsrahmen und -strukturen kontrolliert werden. Ohne kontrollierte Kompression führt die Quellung im Laufe der Lebensdauer zu Schwankungen des Kontaktdrucks an der Kühlplatten-Grenzfläche. Dies verursacht Temperaturunterschiede zwischen den Zellen während des Lade-Entlade-Zyklus. Die Modulkompression und Batterie-TIM-Auswahl Sie sind in den Programmen der Pouchzellen voneinander abhängig. Keines kann unabhängig vom anderen spezifiziert werden.
SK On liefert Pouchzellen an Ford für bestimmte Elektrofahrzeugprogramme. LG Energy Solutions und Samsung SDI produzieren ebenfalls Pouchzellen in großen Stückzahlen für Automobilanwendungen.
Die wichtigsten Unterschiede auf einen Blick
| Parameter | Zylindrisch | Prismatisch | Beutel |
|---|---|---|---|
| Gehäuse | Starrer Metallzylinder | Starres rechteckiges Hartschalenetui | Flexible Laminatfolie |
| Gravimetrische Energiedichte (Zellebene) | Hoch | Hoch | Höchste |
| volumetrischer Wirkungsgrad der Packung | Mäßig | Hoch | Hoch |
| Dimensionsänderung beim Radfahren | Keiner | Mittel – erfordert Wachstumsspielraum | Signifikant – erfordert Kompressionsmanagement |
| Ansatz für das Wärmemanagement | Radiale Extraktion; Zellabstand begrenzt die Vermehrung | Direkter Kontakt der flachen Kühlplatte | Flachflächenkontakt; kompressionsabhängig über die gesamte Lebensdauer |
| Fertigungsreife | Sehr hoch | Hoch | Hoch |
| Typische Anwendungen | Elektrofahrzeuge für den Personenverkehr, Hochleistungsfahrzeuge, Unterhaltungselektronik | Gewerbliche Elektrofahrzeuge, Energiespeichersysteme, Busse, kostenoptimierte Elektrofahrzeuge für den Personenverkehr | Premium-Elektrofahrzeuge für den Personenverkehr, Hybridfahrzeuge |
| OEM-Beispiele | Tesla (18650, 21700, 4680) | BYD Blade, CATL (Tesla-Standardreihe China) | SK On (Ford-Programme), LG Energy Solution, Samsung SDI |
Trends bei Marktformaten
Die Marktanteile der verschiedenen Batterieformate haben sich deutlich verschoben. Basierend auf den globalen Daten zum Einsatz von EV-Batterien im Jahr 2024 halten prismatische Zellen einen Marktanteil von ca. 691 Tsd. 4 Tonnen. Dies entspricht einem Anstieg gegenüber rund 401 Tsd. 4 Tonnen im Jahr 2020. Diese Verschiebung spiegelt die breitere Akzeptanz von LFP-Batterien wider, die sich ideal mit prismatischen Formaten kombinieren lassen, sowie die zunehmende Integration von Zellen in Batteriepacks. Der Marktanteil zylindrischer Zellen ist relativ gesunken. Der Marktanteil von Pouch-Zellen ist leicht gestiegen.
Das bedeutet nicht, dass prismatische Materialien für jedes Programm die richtige Wahl sind. Es spiegelt die veränderten Prioritäten hinsichtlich Kosten und Integration wider, insbesondere in China. Anwendungen mit hoher Leistung und großer Reichweite setzen weiterhin auf NMC-Chemie mit hoher Energiedichte. NMC findet je nach Strategie des OEMs in allen drei Formaten Anwendung.
Wie sich das Zellformat auf das Wärmemanagement auswirkt
Das Zellformat bestimmt die Geometrie der Wärmeabfuhr und schränkt die Auswahl an geeigneten Zellen ein. Arten von Batteriekühlsystemen Bevor die detaillierte thermische Auslegung beginnt, muss festgestellt werden, dass die Schnittstellengestaltung, die für eine gleichmäßige Temperaturverteilung im gesamten Gehäuse erforderlich ist, je nach Format erheblich variiert.
Zylindrische Zellen leiten Wärme radial ab. Die Kühlplattenführung muss bis zum Boden oder zur Seitenwand jeder Zelle reichen. Die natürlichen Zwischenräume zwischen den Zellen begrenzen die Ausbreitung eines thermischen Durchgehens. Dies stellt einen passiven Sicherheitsvorteil dar. Derselbe Abstand reduziert zwar den volumetrischen Wirkungsgrad des Packs, vereinfacht aber die Wärmeisolierung auf Zellenebene.
Prismatische und Pouch-Zellen nutzen ebene Kühlplattenkontakte. Dies vereinfacht die Kühlgeometrie. Allerdings wird dadurch die Gleichmäßigkeit des Kontaktdrucks zum kritischen Faktor. Bei prismatischen Zellen verändert die Quellung im Laufe der Zyklen allmählich die Kontaktbedingungen. Die Modulkonstruktion muss daher über die gesamte Lebensdauer – nicht nur bei der Erstmontage – einen ausreichenden Druck gewährleisten. Bei Pouch-Zellen muss der Kompressionsrahmen die Quellung aktiv kompensieren und gleichzeitig den thermischen Kontakt aufrechterhalten. Die beidseitige Kühlung ist für Pouch- und prismatische Bauformen praktischer als für zylindrische Anordnungen.
Zellchemie und Zellformat: Wie sie interagieren
Zellformat und Zellchemie sind unabhängige Variablen. Sie beeinflussen jedoch die Spezifikationen des Wärmemanagements. NMC bietet eine höhere Energiedichte, erfordert aber aufgrund geringerer thermischer Stabilität eine präzisere Temperaturregelung. LFP bietet eine geringere Energiedichte bei überlegener thermischer Stabilität und längerer Lebensdauer. LFP wird häufig in prismatischer Form für kommerzielle Elektrofahrzeuge, Energiespeichersysteme und kostenoptimierte Elektrofahrzeugprogramme für Pkw eingesetzt.
Die praktische Konsequenz ist unmittelbar. NMC erfordert eine präzisere Temperaturregelung (ΔT) und konservativere Temperaturgrenzen als LFP – unabhängig vom Zellformat. Die alleinige Festlegung der Kühlplattengeometrie anhand des Zellformats lässt einen Teil der thermischen Auslegung unberücksichtigt. Thermisches Management des Akkus Erfordert, dass sowohl das Zellformat als auch die Zellchemie bestätigt werden, bevor die Kanalgeometrie oder die Schnittstellenspezifikation endgültig festgelegt wird.
Normen und Sicherheitsvalidierung Kontext
Das Zellformat beeinflusst die Struktur der Sicherheitsvalidierung. Zu den wichtigsten Normen für EV-Batteriezellen und -module gehören:
- IEC 62660-1Leistungs- und Lebensdauertests für Lithium-Ionen-Zellen in Traktionsanwendungen für Elektrofahrzeuge
- IEC 62660-2Zuverlässigkeits- und Missbrauchstests
- IEC 62660-3Sicherheitsleistungsanforderungen
- UN 38.3Transporttests für Lithiumzellen und Batterien
- GB 38031-2025Chinas Sicherheitsanforderungen und Testmethoden für Traktionsbatteriezellen, -module und -packs für Elektrofahrzeuge
Diese Normen gelten für alle drei Formate. Allerdings beeinflusst das formatspezifische mechanische Verhalten – insbesondere das Quellen bei prismatischen und Beutelformaten – die Art und Weise, wie Kompressions-, Gehäuse- und Wärmemanagementkonstruktionen hinsichtlich der Anforderungen von Missbrauchs- und Zyklentests validiert werden müssen.
Wann welches Format wählen?
Die Formatauswahl ist eine Entscheidung auf Systemebene. Als allgemeine Orientierung gilt:
Zylindrische Zellen eignen sich für Anwendungen, bei denen eine breite Lieferkette, niedrige Kosten und die passive Verhinderung eines thermischen Durchgehens Priorität haben. Sie funktionieren gut für leistungsstarke Elektro-Pkw und standardisierte Akkupacks, bei denen eine höhere Zellenzahl realisierbar ist.
Prismatische Zellen eignen sich für Anwendungen, bei denen eine optimale Nutzung des Speichervolumens, ein vereinfachtes Batteriemanagementsystem (BMS) und ein direkter Kontakt mit der Kühlplatte im Vordergrund stehen. Kommerzielle Elektrofahrzeuge, stationäre Energiespeichersysteme (ESS) und kostenoptimierte Elektrofahrzeugprogramme für Pkw mit LFP-Technologie sind hierfür am besten geeignet.
Pouchzellen eignen sich für Anwendungen, bei denen gravimetrische Energiedichte und flexible Bauweise Priorität haben. Premium-Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge – bei denen Gewichts- und Platzeffizienz zusätzlichen Kompressionsaufwand rechtfertigen – sind der Hauptanwendungsbereich.
In der Praxis hängen OEM-Formatentscheidungen auch von Lieferantenbeziehungen, dem Zugang zu regionalen Lieferketten und der Integrationsarchitektur ab. Es gibt keine allgemeingültige Antwort. Das richtige Format hängt von allen Designvorgaben des jeweiligen Programms ab.
Schlussfolgerung
Zylindrische, prismatische und Pouch-Zellen bieten unterschiedliche Vor- und Nachteile hinsichtlich Energiedichte, Wärmemanagement, Fertigung und Sicherheit. Prismatische Zellen dominieren mittlerweile den weltweiten Einsatz von Elektrofahrzeugbatterien, bedingt durch die zunehmende Verbreitung von LFP-Technologie und die Integration von Zellen in Batteriepacks. Alle drei Formate sind jedoch weiterhin in verschiedenen Fahrzeugsegmenten und Anwendungen im Einsatz.
Bei Trumonytechs ist das Zellformat einer der ersten Faktoren, die wir bei der Entwicklung neuer Wärmemanagement-Programme berücksichtigen. Es bestimmt die Geometrie der Kühlplatte, die Anforderungen an das Schnittstellenmaterial sowie die Kompressions- und Kontaktdruckbedingungen, für die wir die Konstruktion auslegen. Wenn Sie ein Zellformat für ein neues Programm auswählen oder ein bestehendes Wärmedesign an eine andere Zellgeometrie anpassen, teilen Sie uns bitte Ihr Pack-Layout, das Zellformat, die chemische Zusammensetzung und die thermischen Zielwerte mit. Wir prüfen dann das Schnittstellendesign und geben Ihnen Empfehlungen für die weitere Vorgehensweise. Wasserkühlplatten für EV-Batterien und die TIM-Auswahl basierend auf Ihrer spezifischen Anwendung.
FAQ
Worin besteht der Unterschied zwischen dem Zellformat und dem Modultyp von Elektrofahrzeugbatterien?
Das Zellformat beschreibt die physikalische Geometrie der einzelnen elektrochemischen Einheit – zylindrisch, prismatisch oder Pouch-Zelle. Der Modultyp hingegen bezieht sich darauf, wie die Zellen innerhalb eines Moduls angeordnet, komprimiert, verbunden und gekühlt werden. In den meisten Diskussionen über “Modultypen für Elektrofahrzeugbatterien” werden die Zellformate verglichen, da das Format die meisten Entscheidungen beim Moduldesign bestimmt.
Welches Zellformat dominiert derzeit den Markt für Elektrofahrzeuge?
Prismatische Zellen verfügen ab 2024 über eine globale Einsatzkapazität von ca. 691 TP4T für EV-Batterien – gegenüber ca. 401 TP4T im Jahr 2020. Dies spiegelt die zunehmende Verbreitung von LFP und die Trends zur Integration von Zellen in Batteriepacks wider, insbesondere in China.
Warum benötigen Pouch- und Prismenzellen eine Kompressionsbehandlung?
Beide Zellformate verändern ihre Abmessungen während des Lade- und Entladezyklus. Prismatische Zellen dehnen sich durch die Gasbildung und die Verschiebung der Elektroden aus. Pouch-Zellen quellen auf, da ihre flexible Verpackung die Ausdehnung nicht einschränkt. Ohne Kompressionsmanagement führt die Quellung zu ungleichmäßigem Kontaktdruck an den thermischen Schnittstellen und beeinträchtigt die Temperaturhomogenität über die gesamte Lebensdauer.
Welches Zellformat eignet sich am besten zur Eindämmung von thermischem Durchgehen?
Zylindrische Zellen nutzen den Zellabstand, um die Ausbreitung eines thermischen Durchgehens zwischen benachbarten Zellen zu begrenzen. Die Blade-Batterie von BYD löst dieses Problem durch strukturelle Integration und die inhärente thermische Stabilität der LFP-Chemie. Pouch-Zellen weisen eine geringere passive Abschirmung auf und sind stärker auf aktive Überwachung und Schutzmechanismen auf Modulebene angewiesen.
Welche Normen gelten für die Sicherheitsvalidierung von EV-Batteriezellen?
Zu den wichtigsten Normen gehören IEC 62660-1, IEC 62660-2, IEC 62660-3, UN 38.3 und GB 38031-2025. Diese gelten für alle drei Zellformate. Das formatspezifische Quell- und Kompressionsverhalten beeinflusst die Validierung von Gehäuse- und Wärmemanagementkonstruktionen hinsichtlich der Anforderungen von Missbrauchs- und Zyklentests.
