Battericeller – olika format

Cylindriska, prismatiska eller pouch? När vi pratar om battericeller till elfordon är det främst dessa tre format vi talar om. Cylindriska celler är enkla att tillverka i den aspekten att det mer eller mindre är en ’toapappersrulle’. Dock är cylindriska celler svåra att tätpacka, men är det dominerande formatet i ett flertal andra applikationer. Prismatiska celler, å andra sidan är lättare att tätpacka och har ofta attraktiva energiprestanda – mycket energi per volymenhet. Och slutligen pouch (finns idag inget bra svenskt ord) med dess flexiblare konstruktion som möjliggör ett lättviktsalternativ och ger en mycket bra packningseffektivitet.

Cylindriska, prismatiska eller pouch – vilket format dominerar på elbilsmarknaden och vad händer med utvecklingen? omEV gör en analys av läget.

EV-marknaden domineras av prismatiska celler

När elbilarna började säljas på bredare front, framför allt på den europeiska och japanska marknaden, var det pouch-celler som dominerade med den koreanska celltillverkaren LG Chem (numera LG Energy Solutions) i spetsen. Förra året dominerades elbilsmarknaden av prismatiska celler (ca. 49 %) och drivs främst av de kinesiska celltillverkarna med CATL i ledarposition. Drygt en fjärdedel (ca. 28 %) av elbilarna har pouch-celler och knappt en fjärdedel (ca. 23 %) har cylindriska celler och då med Tesla som största användare [1]. 2019 var den globala marknaden för cylindriska celler (red. anm.: alla applikationer, inte bara elfordon) närmare 8 miljarder USD [2].

Hur fördelningen kommer se ut framöver är inte helt lätt att sia om då många OEM:er sätter upp egna produktionsanläggningar där förhoppningsvis deras optimala lösningar ska produceras. Om vi tittar på några OEM:ers val och strategier för framtiden så säger VW att 80 % av deras celler ska vara prismatiska [3]. GM samarbetar tydligt med LG Energy Solutions och kommer därför att med största sannolikhet använda pouch-celler. Tesla har sedan start fokuserat på cylindriska celler och förra hösten presenterade de en ny cylindrisk cell som ska vara mer optimerad för deras behov, som omEV rapporterade om. En som tros gå ifrån de prismatiska cellerna är BMW, som på sikt troligtvis kommer använda cylindriska celler.

Tyskarnas genomlysning för att hitta optimala cellen

Tyska Fraunhofer gjorde 2017 en systematisk genomgång av olika cellformat och deras respektive potential för batteripack till elfordon [4]. Studien är metodiskt upplagd med avstamp i olika cellmaterial, via elektrod- och celldesign och hela vägen till packdesign. Cellerna har gjorts jämförbara i ett flertal aspekter och ’fiktiva’ fordon har antagits (dvs. de har inte baserat studien på ett specifikt fordon). De viktigaste utvecklingspotentialerna för respektive cellformat fram till 2025 har analyserats.

Totalt utvärderade fem olika celler (två cylindriska (18650 och 21700), två prismatiska (PHEV2 och BEV2) och en pouch). Formaten för de prismatiska cellerna är något som tyska bolag och forskare länge arbetat tillsammans för att få standardiserade. Cellernas namngivning har egentligen inget att göra med vilken typ av fordon de passar till utan är ett format. PHEV2 är 91x148x26,5 mm och BEV2 är 115x173x45 mm (VDA-standard, DIN-Spec 91252 [5]). Det är Li-jonceller som utvärderats och med kemierna NCA för de cylindriska och för övriga format katoder av NMC811 och anoder av grafit eller med inblandning av kisel. Cellerna har simulerats baserat på en framtagen körcykel som ska vara realistisk och förutom prestanda har värmeutvecklingen beaktats för att dimensionera ett kylsystem både för modul så väl som för ett pack. Tillverkningskostnaderna för olika processteg har beaktats för att ge en helhet. Resultaten visar att de två prismatiska cellerna har sämst volumetrisk energitäthet, men om man väger in termiska aspekter är det PHEV2-formatet som är mest fördelaktigt, medan BEV2 och de cylindriska 18650-cellerna hade sämre temperaturegenskaper och övrig celler undermåliga egenskaper. När det kommer till packkostnaderna varr 21700- och PHEV2-cellerna sämst, men torde vara i paritet med pouch-celler 2025. Lägst kostnad har batteripack baserade på BEV2-celler. Sammantaget av alla aspekter så visar studien att cylindriska 18650-celler och prismatiska PHEV2-celler de minst fördelaktiga. Pouch-celler är de celler som visade sig vara mest attraktiva.

En annan studie visar på drygt 20 % förbättring av Wh/kg på packnivå

En forskningsstudie publicerades i slutet av förra året där de försökt att identifiera möjliga riktningar för framtida utveckling inom batterisystemstrukturen för BEV:er i syfte att att hjälpa till att välja rätt cell för att bibehålla så hög energitäthet som möjligt när man går från cell till modul och slutligen till pack [6]. Studie bygger på trender för 25 kommersiellt tillgängliga BEV mellan åren 2010 och 2019. Trenden har varit att man går mot större celler, samt att fler och fler väljer prismatiska celler. En annan trend, som kanske inte är helt förvånande, är att Wh/kg har förbättrats mer än Wh/L på packnivå och att det därmed finns stora potentialer för förbättringar. Ett resultat från studien är att Wh/kg relaterar till val av cellkemi och viktsandelen celler är relativt lika mellan de 25 studerade packen, däremot volymsandelen skiljer och att Wh/L är noterbart låg på packnivå trots den är hög på cellnivå. Att designa sitt batteripack är därför väsentligt och att packa olika celler för att hitta en optimal lösning för en given applikation är en väg framåt, dvs. Wh/L är en fråga om cellformat och packdesign.

Studien visar på att det finns en potential att förbättra energitätheten (Wh/kg) med drygt 20 % genom att välja en bättre cell. Beroende på hur mycket extravikt som inkluderats i batteripacket för säkerhetsaspekter kan denna siffra påverkas negativt. När det kommer till Wh/L kan det bli knepigare att se tydliga förbättringar med tanke på att olika applikationer kräver olika kylsystem, vilka då kan kräva extra utrymme, men givetvis även öka på vikten. Men det svåra för studien var att få rätt volymdata för de studerade systemen då många OEM/packtillverkare integrerar batteripacket på ett sätt som gör att det är svårt att få tydliga avgränsningar för batteripackets volym.

Egna kommentarer

Att välja cell är inte en lätt uppgift för OEM:er och ofta är det där det stannar. Sedan börjar jobbet med att packa denna valda cell i moduler och/eller pack. För att hitta ett optimalt batteripack behöver man föra packningsstudier över ett flertal celler för att på så bra prestanda som möjligt på sitt fordon. Den tyska studien har några år på nacken, men ger ändå en metodik för hur man systematiskt kan gå till väga och med nyare inputsdata kan förfiningar fås.

Som celltillverkare är elektroddesignen viktig, men även att ha flera cellformat i sitt produktsortiment. Om OEM:erna satsar på fler cellformat och leverantörer så gör många celltillverkare det samma. Flera celltillverkare producerar två format och ofta då de format som lättast går att tillverka av elektroder från samma produktionslina. Av de koreanska tre största tillverkare (LG Energy Solution, Samsung och SK Innovation) är det bara SK som producerar ett format (pouch) och tar på så sätt en högre risk.

De cylindriska cellerna har mer eller mindre kommit till en punkt där den volumetriska energitätheten mer eller mindre nått sitt max. En stor nackdel för pouch-celler är att det idag inte finns ett standardiserat cellformat. Det som driver utvecklingen kring pouch-celler är mycket drivet av att solid-state-batterier endast torde vara möjliga att tillverka i detta format (cylindriska och prismatiska celler ’lindas’ kring en respektive två noder, på vilket sätt ett solid-state-batteri med största sannolikhet inte kan tillverkas på).

Referenser

[1] Competition Intensifying over Different EV Battery Types (länk)

[2] Global cylindrical lithium ion battery market research report 2021 (länk)

[3] Volkswagen ”Battery Day” Focuses On Scale Rather Than Chemistries (länk)

[4] Entwicklungsperspektiven für zellformate von lithium-ionen-batterien in der elektromobilität (länk)

[5] DIN 91252:2016-11 (länk)

[6] From Cell to Battery System in BEVs: Analysis of System Packing Efficiency and Cell Types (länk)