Lithiumzellen: Unterschiede, Verwendung und Auswahl der besten Zellen

Heute sind Lithiumzellen zu einem der wichtigsten Bestandteile in der Welt der Technologie und Energie geworden. Ihre hohe Energiedichte, lange Lebensdauer und schnelle Ladefähigkeit haben sie zu einer führenden Wahl für eine Vielzahl von Anwendungen gemacht, von elektronischen Geräten bis hin zu Elektrofahrzeugen.

Mit der steigenden Nachfrage nach Lithiumzellen wächst jedoch auch die Vielfalt der auf dem Markt verfügbaren Optionen. Es ist wichtig, die Unterschiede zwischen ihnen zu verstehen und zu wissen, wie man die beste Zelle für jeden Fall auswählt.

In diesem Artikel befassen wir uns mit Lithiumzellen, ihren Unterschieden, ihrer Verwendung und der Auswahl der besten Zellen.

Die gängigsten Lithium-Zelltypen

Die Zellen haben unterschiedliche physikalische Formen, die die Struktur und das Design bestimmen, was sich wiederum auf die elektrischen und mechanischen Eigenschaften von Lithiumbatterien auswirkt.

Die wichtigsten Formate sind: zylindrisch, blattförmig oder prismatisch.

Zylindrische Zellen

Ähnlich wie Haushaltsknöpfe haben die zylindrischen Zellen eine genau zylindrische Form. Die Zelle 18650 mit einem Durchmesser von 18 mm und einer Höhe von 65 mm ist eines der gängigsten und am weitesten verbreiteten Formate in der Batterieindustrie.

Vorteile der zylindrischen Zellen

Zylindrische Lithium-Ionen-Zellen bieten mehrere Vorteile, von denen die wichtigsten sind:

• Langlebiges GehäuseZylindrische Zellen sind mit einem robusten Metallgehäuse ausgestattet, das in der Regel aus Edelstahl besteht. Dieses Gehäuse bietet einen robusten Schutz für die internen Komponenten der Zelle, macht sie haltbarer und widersteht widrigen Bedingungen wie Stößen, Vibrationen und hohen Temperaturen. Dies ist besonders wichtig für Anwendungen, bei denen mechanische Festigkeit und zusätzlicher Schutz erforderlich sind.

• Flexibilität in der ZellchemieZylindrische Zellen bieten die Möglichkeit, die interne Chemie der Zelle zu ändern, während der gleiche Einschließungsmechanismus beibehalten wird. Dies bedeutet, dass die Hersteller die Zellchemie anpassen können, um die Leistung, Kapazität oder Sicherheit zu verbessern, ohne das Gehäuse oder das Containment-System komplett neu gestalten zu müssen. Dies bietet Flexibilität und Anpassungsfähigkeit an unterschiedliche Anforderungen und Fortschritte in der Lithiumbatterietechnologie.

• Breite VerfügbarkeitZylindrische Lithium-Ionen-Zellen, insbesondere Standardformate wie die Zelle 18650, sind auf dem Markt weit verbreitet. Dadurch sind sie leicht zugänglich und für den Einsatz in einer Vielzahl von Anwendungen, von tragbaren elektronischen Geräten bis hin zu Elektrofahrzeugen, erhältlich. Die breite Verfügbarkeit dieser zylindrischen Zellen trägt zu ihrer Beliebtheit und einfachen Integration in verschiedene Systeme und Produkte bei.

Zylindrische Zellen

Nachteile der zylindrischen Zellen.

Allerdings haben zylindrische Lithium-Ionen-Zellen auch einige Nachteile. Einige davon sind hier aufgeführt:

• Geringe Kapazität der einzelnen ZellenZylindrische Lithium-Ionen-Zellen haben im Vergleich zu anderen Lithium-Zellenformaten eine relativ geringe Einzelkapazität. Die gebräuchlichsten zylindrischen Zellen, wie z. B. die 18650, erreichen eine maximale Kapazität von etwa 3Ah. Dies kann die in jeder Zelle gespeicherte Energiemenge begrenzen und die Verwendung mehrerer Zellen in Reihe oder parallel erfordern, um die gewünschte Kapazität zu erreichen.

• Montage durch SchweißenBei der Konstruktion von Akkupacks mit zylindrischen Zellen werden die einzelnen Zellen durch Löten in Reihe und parallel geschaltet. Dies ist im Vergleich zu anderen Verbindungsmethoden, wie z. B. prismatischen Zellen, die durch flexible Verbinder oder Laserschweißen verbunden werden können, ein komplexer und kostspieliger Prozess. Außerdem erschwert das Löten den Austausch einzelner Zellen im Falle eines Ausfalls, da in der Regel das gesamte Modul ersetzt werden muss.

• Geringere Sicherheit der VerpackungDie Serien- und Parallelschaltung vieler zylindrischer Zellen in einem Akkupack kann die Sicherheit des Gesamtsystems beeinträchtigen. Wenn eine einzelne Zelle ausfällt, kann dies die Leistung und Stabilität des gesamten Pakets beeinträchtigen. Darüber hinaus kann der fehlende Austausch einzelner Zellen zu einem höheren Sicherheitsrisiko führen, da im Falle eines Zellenausfalls ein kompletter Modulaustausch erforderlich ist.

Die meisten Hersteller von Lithium-Ionen-Batterien schalten mehrere Zellen parallel, um die gewünschte Kapazität zu erreichen: Um beispielsweise mit 2,5-Ah-Zellen eine Kapazität von 200 Ah zu erreichen, müssen 80 Zellen parallel geschaltet werden, wobei alle Zellen parallel geschaltet werden.
Wenn durch ein internes Problem einer dieser Kurzschlüsse auftritt, absorbiert er nicht nur seine eigene Energie, sondern muss auch die gesamte Energie der 80 parallel geschalteten zylindrischen Zellen abführen. Dies könnte zu einer sehr hohen Hitzeentwicklung im Modul führen, mit katastrophalen Folgen wie einem Brand.
Um dies zu verhindern, verwenden große Hersteller wie Tesla ausgeklügelte Produktionsverfahren, bei denen die Zellen durch eine Art Sicherung parallel geschaltet werden. Bei einem Kurzschluss einer Zelle brennt die "Sicherung" durch und die Sicherheit des Akkupakets ist nicht beeinträchtigt.

Leider verfügt keiner der Lithium-Ionen-Batteriehersteller auf dem Industriemarkt über diese Technologie. Als Konsequenz dieser negativen Aspekte vermeiden wir bei NCPOWER diesen Zelltyp.

Laminierte Zellen, was sind sie und welche Vor- und Nachteile haben sie?

Laminierte Zellen oder Pouch-Zellen sind eine Art von Lithiumzellen, die sich von zylindrischen Zellen durch ihr Format und ihren Aufbau unterscheiden. Anstelle eines zylindrischen Metallgehäuses bestehen diese Zellen aus einer flexiblen Folie, die als Behälter und Separator für die internen Komponenten dient.

Bei laminierten Zellen befinden sich die aktiven Komponenten, wie Kathode, Anode und Elektrolyt, zwischen zwei Schichten aus flexiblem Material, in der Regel laminierte Polymere wie Polyester oder Polyolefinpolymer. Diese flexiblen Schichten versiegeln die Komponenten und verhindern Leckagen oder unerwünschte Reaktionen. Zusätzliche Dichtungsschichten werden verwendet, um die Zelle vor Feuchtigkeit und Außenluft zu schützen.

Vorteile der Beutelzellen

Laminierte oder Pouch-Lithiumzellen bieten bestimmte positive Aspekte ihrer Technologie. Einige davon sind:

• Hohe EnergiedichteBeutelbatterien haben eine hohe Energiedichte, d. h. sie können eine große Menge an Energie auf relativ kleinem Raum speichern. Dies ist besonders wichtig für Anwendungen, bei denen eine lange Batterielebensdauer oder eine hohe Leistung erforderlich ist, wie z. B. in Elektrofahrzeugen oder tragbaren elektronischen Geräten.

• Niedrige WohnkostenIm Vergleich zu zylindrischen Zellen haben Pouch-Zellen in der Regel niedrigere Gehäusekosten. Dies liegt daran, dass der Herstellungsprozess von Pouch-Zellen weniger komplex ist und weniger teure Materialien verwendet werden als bei den Metallgehäusen zylindrischer Zellen. Infolgedessen können Pouch-Zellen eine wirtschaftlichere Lösung für die Energiespeicherung darstellen.

• Bereich der verfügbaren KapazitätAuf dem Markt gibt es eine Vielzahl von Pouch-Zellen mit unterschiedlichen Kapazitäten. Sie reichen von einigen hundert mAh (Milliamperestunden) bis zu etwa 20 Ah, wobei Hersteller, die diesen Wert überschreiten, seltener anzutreffen sind. Dies bietet Entwicklern und Herstellern eine Reihe von Optionen, um unterschiedliche Leistungsanforderungen und Anwendungsgrößen zu erfüllen.

Beispiel für Börsenzellen

Nachteile der Beutelzellen

Laminierte oder Beutel-Lithiumzellen haben einige negative Aspekte, die mit ihrer Zerbrechlichkeit und den Einschränkungen in Bezug auf Verpackung und Kapazität zusammenhängen. 

Einige dieser Aspekte werden im Folgenden näher erläutert:

• Zerbrechlichkeit des GehäusesDas Gehäuse von Beutelzellen ist im Vergleich zu zylindrischen Zellen anfälliger für Beschädigungen und Brüche, da es aus flexiblen Materialien besteht. Schon ein leichter Druck, z. B. durch einen Fingernagel, kann das Gehäuse irreversibel beschädigen. Dies kann in Umgebungen, in denen die Batterie Stößen oder ungünstigen Bedingungen ausgesetzt ist, problematisch sein.

• Beschränkungen des VerpackungssystemsDie Verpackung von Beutelzellen erfordert ein sorgfältiges Design, um jegliche Belastung oder Verformung der einzelnen Zellen zu vermeiden. Vibrationen, Quetschungen oder Verformungen können die Unversehrtheit der Zellen gefährden und ihre Leistung und Lebensdauer beeinträchtigen. Darüber hinaus kann es aufgrund der flexiblen Beschaffenheit von Beutelzellen kompliziert oder sogar unmöglich sein, maßgeschneiderte Module für bestimmte Anwendungen zu entwickeln.

• Mittlere bis geringe KapazitätBag-Zellen: Bag-Zellen haben im Vergleich zu anderen Lithium-Zellenformaten eher eine mittelgroße Kapazität. Das bedeutet, dass mehrere Zellen parallel geschaltet werden müssten, um eine ausreichende Kapazität in industriellen Anwendungen zu erreichen. Dies kann jedoch die Sicherheit des Batteriesatzes beeinträchtigen und die Komplexität des Lastausgleichs- und Managementsystems erhöhen.

• Schwierigkeiten beim Austausch einzelner ZellenWie bei den zylindrischen Zellen werden auch die Beutelzellen durch Löten in Reihe oder parallel geschaltet. Dies macht es praktisch unmöglich, eine einzelne Zelle auszutauschen, ohne das gesamte Modul zu ersetzen. Dies kann kostspielig sein und im Falle eines Zellausfalls zu Ausfallzeiten führen.

Prismatische Zellen

Ein weiteres gängiges Format bei Lithium-Batteriezellen ist der prismatische Typ. Sie zeichnen sich hauptsächlich durch ein festes Gehäuse und gelötete Pole aus.

Vorteile der prismatischen Zellen

Prismatische Zellen bieten mehrere wichtige Vorteile im Vergleich zu anderen Lithiumzellenformaten. Einige dieser Vorteile werden im Folgenden näher erläutert:

• Langlebiges GehäusePrismatische Zellen haben ein robustes und langlebiges Gehäuse und eignen sich daher für die Herstellung maßgeschneiderter Batteriepakete. Dank ihrer Robustheit können sie rauen Bedingungen standhalten und minimieren die Notwendigkeit kostspieliger und komplizierter mechanischer Belastungsstudien und -tests.

• Hohe Kapazität der einzelnen ElementePrismatische Zellen können hohe Kapazitäten in einzelnen Zellen erreichen, bis zu 300 Ah in einer einzigen Zelle. Diese hohe Kapazität ist besonders wertvoll bei der Herstellung von Batterien mit großer Kapazität, z. B. für den Industriemarkt, da so die Notwendigkeit vermieden wird, mehrere Zellen parallel zu verwenden. Dies vereinfacht nicht nur die Konstruktion und den Zusammenbau, sondern verbessert auch die Sicherheit des gesamten Batteriesatzes erheblich.

• SchraubenpfostenPrismatische Zellen haben häufig Schraubklemmen an ihren Anschlüssen, was ihre Montage erleichtert und den Austausch von Elementen auch vor Ort ermöglicht. Dies reduziert die Komplexität und die Wartungszeit im Falle eines Zellenausfalls, da die Zelle ausgetauscht werden kann, ohne dass der gesamte Batteriesatz zerlegt werden muss.

Diese Vorteile machen prismatische Zellen zu einer attraktiven Option für eine Vielzahl von Anwendungen, insbesondere für solche, die eine hohe Kapazität und eine kundenspezifische Montage erfordern. Es ist jedoch auch wichtig, die mit diesem Zellenformat verbundenen Einschränkungen und Herausforderungen zu berücksichtigen.

Nachteile der prismatischen Zellen

Einer der Nachteile prismatischer Lithiumzellen ist, dass ihre hohe Energiedichte im Vergleich zu anderen Zellenformaten, wie z. B. zylindrischen Zellen, etwas geringer sein kann. Dies ist zum Teil auf die Art des Einschlusses zurückzuführen, der bei prismatischen Zellen verwendet wird.

Das solide und robuste Gehäuse prismatischer Zellen bietet zwar Vorteile in Bezug auf Langlebigkeit und einfache Montage, kann aber im Vergleich zu zylindrischen Zellen zusätzlichen Platz beanspruchen, was sich auf die Gesamtenergiedichte der Batterie auswirken kann. Das bedeutet, dass im Vergleich zu zylindrischen Zellen mit ähnlichen Abmessungen ein etwas größeres Volumen erforderlich ist, um die gleiche Energiemenge zu speichern.

Es ist jedoch wichtig, darauf hinzuweisen, dass prismatische Zellen nach wie vor in der Lage sind, ein beträchtliches Maß an Energie und Kapazität zu liefern, und dass sie in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden. Die Wahl des geeigneten Zellenformats hängt von den spezifischen Anforderungen der Anwendung ab, wobei Faktoren wie die erforderliche Kapazität, der verfügbare Platz, das Design des Batteriepacks und andere technische und Leistungsanforderungen berücksichtigt werden.

Beispiel für prismatische Zellen

	Zylindrisch	Von der Börse	Prismatik
Vorteile	Langlebiges GehäuseFlexibilität in der ZellchemieWeite Verfügbarkeit	Hohe EnergiedichteNiedrige UnterbringungskostenVerfügbarer Leistungsbereich	Robustes GehäuseHohe Belastbarkeit der einzelnen ElementeSchraubpfosten
Benachteiligungen	Geringe Kapazität der einzelnen ZellenSchweißmontageVerringerte Sicherheit der Verpackung	Zerbrechlichkeit des GehäusesEinschränkungen des VerpackungssystemsMittlere bis geringe KapazitätSchwierigkeit beim Austausch einzelner Zellen	Geringfügig geringere Energiedichte aufgrund der Containment-BoxBesseres Batterievolumen und -größe
Verwendet	Zylindrische Zellen werden in der Regel in kleinen Lithiumbatterien (<2kWh) verwendet, z. B. in Elektrofahrrädern, Schraubenziehern, Gartengeräten usw.). Nur Tesla verwendet sie in der Automobilbranche.	Beutelzellen werden hauptsächlich auf der Grundlage der NMC-Chemie hergestellt und kommen vor allem bei Hochleistungsanwendungen (hohe Spannung und niedrige Kapazitäten) oder bei Anwendungen zum Einsatz, bei denen eine Volumenreduzierung erforderlich ist, z. B. bei Elektromotorrädern oder Elektroautos.	Prismatische Zellen werden für Lithiumbatterien in der Industriesektor  und in der  Automobilbranche zur Herstellung von mittleren und großen Akkupacks.

Welche sind die besten für Elektrofahrzeuge?

NCPOWER hat gewählt prismatische Zellen  für seine Batterien, gerade wegen ihrer großen Vorteile. Diese Zellen bieten ein gutes Verhältnis von Energiedichte zu Leistungsdichte, wodurch sie sich für Anwendungen eignen, die hohe Kapazitäten und eine anhaltende Energielieferung erfordern.

Sie ermöglichen es uns, sowohl bei Elektrofahrzeuganwendungen als auch in der Automobilindustrie eine hohe Qualität der Leistung zu erreichen.  führende Lithium-Technologie in Spanien.