Zell- und Chemie

Zellteile

Anode

Das Anodenmaterial in der überwiegenden Mehrheit der Lithium-Ionen-Batterien ist Graphitpulver.

Graphitmaterialien werden entweder synthetisch hergestellt oder aus dem Boden abgebaut und dann verarbeitet, bevor sie auf eine Kupferfolie gebacken werden, um als Anoden zu dienen.

Graphitanoden erfüllen die Spannungsanforderungen der häufigsten Li-Ionen-Kathoden, sind relativ erschwinglich, extrem leicht, porös und langlebig.

Kathode

Es gibt mehrere Kathodenmaterialien, aus denen man innerhalb des Li-Ionen-Batterieraums wählen kann.

Ursprünglich war die primäre aktive Komponente der Kathode Kobalt, wobei zur Verringerung der Abhängigkeiten von Kobalt verschiedene chemische Verfahren verwendet werden.

Lithium-Nickel-Mangan-Cobaltoxide (NMC)

Lithium nickel manganese cobalt oxides sind die häufigste Chemie auf EV heute.

Das Metallverhältnis variiert. Die Version war NMC 111, dann war NMC 622 die übliche, gefolgt von NCM 711. Viele Hersteller arbeiten daran, Zellen mit einem Metallverhältnis von 811 zu versorgen.

Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminiumoxide (NCA)

Lithium nickel cobalt aluminum oxides (NCA) werden von Panasonic verwendet.

Lithium-Eisen-Phosphat-Batterie (LFP)

Lithium iron phosphate battery

Separator

A separator ist eine durchlässige Membran, die zwischen der Anode und der Kathode einer Batterie angeordnet ist.

Elektrolyt

Flüssige Elektrolyte in Lithium-Ionen-Batterien bestehen aus Lithiumsalzen in einem organischen Lösungsmittel, wie Ethylencarbonat, Dimethylcarbonat und Diethylcarbonat.

Ein flüssiger Elektrolyt dient als leitender Weg für die Bewegung von Kationen, die während der Entladung von den negativen zu den positiven Elektroden gelangen, und die entgegengesetzte Richtung beim Laden.

Viele Hersteller und Zellentwickler erforschen Elektrolyte auf Basis von Feststoffen. Batterien, die sie verwenden, werden als solid-state batteriesAudi hat noch kein Serienmodell mit einer vollständig Solid-State-Traktionsbatterie angekündigt.

Stromabnehmer

Der Stromableiter wird verwendet, um die Leitung von Elektronen aus dem Inneren der elektrochemischen Reaktion zum äußeren Teil ohne Reaktion innerhalb des Betriebsfensters bereitzustellen.

Derzeit verwendete Kollektoren bestehen meist aus Aluminium- oder Kupferfolien.

Zellengehäuse

Zellen für EVs gibt es in 3 verschiedenen Gehäusen

Zylindergehäuse

Eine zylindrische Zelle besteht aus flächigen Anoden, Separatoren und Kathoden, die sandwichartig aufgerollt und in eine zylinderförmige Dose gepackt werden.

Ein Vorteil ist die mechanische Stabilität, da die runde Form der Batterie den Innendruck von Nebenreaktionen nahezu gleichmäßig über den Zellumfang verteilt, so dass die Zelle einen höheren Innendruck ohne Verformung tolerieren kann.

Tesla ist einer der wenigen EV-Hersteller, der dies nutzt.

Prismatisches Gehäuse

Li-Ionen-Zellen mit prismatischem Gehäuse bestehen aus großen Schichten von Anoden, Kathoden und Separatoren, die sandwichartig aufgerollt und in ein Hartkunststoff- oder Metallgehäuse in kubischer Form eingepresst sind. Die Elektroden können auch durch Schichtstapeln statt durch Gelee-Rollen montiert werden.

Teile der Elektroden- und Separatorfolien einer prismatischen Zelle, die sich nahe den Behälterecken befinden, können stärker beansprucht werden, was die Elektrodenbeschichtung beschädigen und zu einer ungleichmäßigen Verteilung des Elektrolyten führen kann.

Bei der Kombination prismatischer Zellen zu Packungen ermöglicht die zellenkastenartige Form eine optimale Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Raumes, was jedoch auf Kosten eines anspruchsvolleren Wärmemanagements erreicht wird, da zwischen den Zellen keine Raumhohlräume vorhanden sind, wie es bei einer Packung zylindrischer Zellen der Fall ist.

Beutelgehäuse

Beutelzellen haben keine starre Umhüllung wie prismatische und Zylinderzellen und verwenden eine versiegelte flexible Folie als Zellbehälter.

Dies macht es zur effizientesten Raumnutzung und erreicht eine Verpackungseffizienz von 90 bis 95 Prozent, die höchste unter den Batteriepacks, die Vorteile der flexiblen Größe und die Sicherheitsleistung. Der Wegfall des Metallgehäuses reduziert das Gewicht, aber die Zelle benötigt eine alternative Unterstützung im Batteriefach.

Schwellung Pouch Cell Batterie als Ergebnis der Gaserzeugung während der Ladung und Entladung

Die Elektroden- und Separatorschichten einer Beutelzelle sind gestapelt und nicht geleegerollt. Bei Beutelzellen sollte der Designer genügend Platz für die Zellquellung bereitstellen. Nach 500 Zyklen kann eine Quellung von bis zu 8 % bis 10 % auftreten.

Audi-Zellen

In der folgenden Tabelle sind die Zellen aufgeführt, die bei den verschiedenen rein elektrischen Audi-Modellen verwendet werden. Klicken Sie auf den Modellnamen, um weitere Details zu den Zellen zu erhalten.

Volkswagen Einheitszelle

Volkswagen hat sich entschieden, eine prismatische Zelle mit Standardgröße und Verpackung zu standardisieren.

Die Standardisierung wird die Zellkosten um 50% reduzieren. 80% der VW-Modelle werden einheitliche Zellen verwenden.

Das erste Audi-Modell wird es 2025 auf dem neuen SSP-platform.

Die Unified Cell-Technologie von VW verwendet die gleichen physischen Packungsformate, nur mit unterschiedlichen Chemikalien, um das Entwerfen zukünftiger Elektrofahrzeuge kostengünstiger zu gestalten und weniger Zeit zu benötigen. Die Unified Cell-Abmessungen betragen etwa 32 x 12 x 3 cm.

Die Zellen werden auf dem new Salzgiga Fabrik in Salzgitter Germany

Der Spatenstich für diese Fabrik war der 7. Juli 2022.