Prismatische VS zylindrische Zellen: Was ist der Unterschied?

Prismatische und zylindrische Zellen sind zwei beliebte Typen von Lithium-Ionen-Batteriezellen. Zylindrische Zellen zeichnen sich durch eine bessere Wärmeableitung, hervorragende Konsistenz und Haltbarkeit aus, allerdings auf Kosten einer geringeren Energiedichte und geringerer Raumeffizienz. Prismatische Zellen bieten höhere Sicherheit, Volumenausnutzung und flexibles Design, allerdings auf Kosten von Sperrigkeit und höheren Kosten.

Während zylindrische Batterien lange Zeit den Markt dominierten Lithium-Batterie Auf dem Markt gewinnen prismatische Batterien mit ihren einzigartigen Vorteilen immer mehr an Aufmerksamkeit. Werfen wir einen genaueren Blick auf die Stärken beider.

Prismatische und zylindrische Zellen verstehen

Was ist eine prismatische Zelle?

Eine prismatische Zelle hat eine rechteckige oder quadratische Form und ein flaches, starres Gehäuse. Sie wird im Wickel- oder Stapelverfahren hergestellt und ist in einem prismatischen Gehäuse aus Aluminium oder Stahl untergebracht. Ihre Form kann je nach Bedarf individuell angepasst werden. Diese Struktur zeichnet sie durch eine erhöhte Energiedichte und ein flexibles Strukturdesign aus.

Die Plus- und Minuspole einer prismatischen Batterie befinden sich an gegenüberliegenden Enden und sind über Steckverbinder mit der Leiterplatte verbunden. Diese Batterien nutzen typischerweise entweder feste oder flüssige Elektrolyte zur Speicherung und Abgabe von Energie. Dank ihrer höheren Energiedichte, langen Lebensdauer und zuverlässigen Stabilität sind prismatische Batterien zur bevorzugten Stromquelle für viele Unterhaltungselektronikgeräte geworden.

Bei gleichem Volumen können gestapelte prismatische Zellen mehr Energie auf einmal liefern, was zu einer besseren Leistung führt, während flache prismatische Zellen insgesamt mehr Energie speichern und eine längere Lebensdauer bieten.

Was ist eine zylindrische Zelle?

Eine zylindrische Zelle hat eine runde Form und besteht aus einem Metallgehäuse, einer Membran und gleichmäßig verteilten gewickelten Elektroden. Sie wird im Wickelverfahren hergestellt und in einem schlagfesten Aluminiumgehäuse untergebracht. Daher zeichnen sich zylindrische Zellen durch eine hervorragende Wärmeableitung und eine hohe Konsistenz zwischen den Zellen aus.

Kurz gesagt: Zylindrische Batterien sind klein und rund und lassen sich daher leicht in Geräten unterschiedlicher Größe stapeln. Im Gegensatz zu anderen Batterieformaten verhindert ihre Form ein Aufquellen, ein Problem, das durch Gasansammlungen im Zellgehäuse verursacht wird.

8 Hauptunterschiede zwischen prismatischen und zylindrischen Batterien

Prismatische und zylindrische Zellen unterscheiden sich deutlich. Die Form ist nicht der einzige Unterschied. Die Hauptunterschiede liegen in der Größe, der Anzahl der elektrischen Anschlüsse und der Leistungsabgabe.

Eigenschaften	Zylindrische Zelle	Prismatische Zellen
Form	Runde Form	Rechteckige oder quadratische Form
Struktur	Enthält Metalldose, Membran und gewickelte Elektroden	Flaches, starres Gehäuse mit gestapelten Elektroden
Langlebigkeit	Metalldosen mit physischem Schutz	Schwache, starre Gehäuse, die leicht beschädigt werden können
Wärmemanagement	Großartig. Jelly-Roll-Struktur verbessert die Wärmeableitung	Schlecht. Schichtstrukturen erzeugen mehr Wärme
Kosten	Geringere Kosten dank ausgereifter Lieferkette	Höhere Herstellungskosten
Raumeffizienz	Niedrig. Beim Zusammenbau entsteht ein Spalt.	Hoch. Enge Verpackungsmethode.
Designflexibilität	Weniger Formflexibilität	Hoch; Mehrschichtstapelung für modulares Design
Anwendungen	E-Bikes, Medizinische Geräte	Marineboote, Roboter

Größe und Form

Eine prismatische Zelle ist größer und schwerer als eine zylindrische Zelle. Sie benötigt mehr Platz zur Wärmeableitung und bietet ein flexibles Design zur individuellen Gestaltung des Batteriepacks. Die Größen prismatischer Zellen variieren je nach Bedarf von 30 × 20 × 3 mm bis 300 × 100 × 50 mm. Eine einzelne prismatische Zelle kann so viel Energie speichern wie 20 bis 100 zylindrische Zellen.

Standard-Rundzellen beinhalten 18650 Zelle (18×65 mm), 21700 Zelle (21×70mm) und 26650 Zelle (26 × 65 mm). 4680 (46 × 80 mm) ist die übliche große zylindrische Batteriezelle. Große Zellen verursachen einen erhöhten Innenwiderstand, ein schlechtes Wärmemanagement und eine hohe mechanische Belastung, was für großflächige Reihen- und Parallelschaltungen schwierig ist.

Spannung und Kapazität

Zylindrische Batterien speichern zwar weniger Energie als prismatische Batterien, liefern aber mehr Leistung. Das bedeutet, dass zylindrische Zellen Energie schneller abgeben können als prismatische Zellen. Der Grund dafür ist, dass sie mehr Anschlüsse pro Amperestunde (Ah) haben. Daher eignen sich zylindrische Batterien ideal für Hochleistungsanwendungen, während prismatische Batterien besser für maximale Energieeffizienz geeignet sind.

Eine zylindrische Batteriezelle hat eine geringe Zellkapazität. Sie zeichnen sich durch kompakte Größe und hervorragende Wärmeableitung aus und unterstützen eine hohe Entladeleistung.

Prismatische Batteriezellen bieten eine hohe Zellkapazität. Zudem zeichnen sie sich durch eine begrenzte Hochstromentladung und niedrige Kosten aus und eignen sich daher ideal für die Energiespeicherung großer Kapazitäten.

Struktur und Konstruktion

Interne Struktur

Prismatische Batterien: Elektrodenblätter werden normalerweise in Schichten gestapelt, was die Raumausnutzung verbessert, aber eine sorgfältige Optimierung der Wärmeableitungswege erfordert.

Zylindrische Batterien: Die Elektrodenblätter sind spiralförmig gewickelt und bilden eine „Jelly-Roll“-Struktur. Diese Konstruktion ermöglicht eine gleichmäßige Wärmeableitung, obwohl bei der Gruppierung der Zellen Lücken verbleiben.

Formkonstruktion

Prismatische Batterien: Sie haben eine polyedrische Form (z. B. sechseckig oder rechteckig) und sind typischerweise in einem Aluminiumgehäuse untergebracht. Die Plus- und Minuspole befinden sich an gegenüberliegenden Enden und sind über Steckverbinder mit der Platine verbunden. Dank ihrer flachen oder rechteckigen Bauweise können die Abmessungen individuell angepasst werden, sodass sie sich gut für hochdichte Stapelung eignen. Prismatische Zellen können dicht aneinander gepackt werden (z. B. die hexagonalen prismatischen Zellen von BYD), wodurch eine über 20 % höhere Raumausnutzung im Vergleich zu zylindrischen Zellen erreicht wird.

Zylindrische Batterien: Hergestellt durch Aufwickeln von Elektrodenplatten (Kathode, Separator, Anode) in einen Metallzylinder. Sie bieten hohe mechanische Stabilität und eine gleichmäßige Druckverteilung im Inneren. Ihr runder Querschnitt führt zwar zu Platzverlusten bei der Gruppierung, ihr modularer Aufbau vereinfacht jedoch die BMS-Verwaltung.

Gravimetrische und volumetrische Energiedichte

Die Energiedichte misst die Energiespeichereffizienz einer Batterie basierend auf ihrem Volumen oder Gewicht.

Zylindrische Zellen liefern aufgrund ihrer kompakten Wickelstruktur eine höhere gravimetrische Energiedichte von 200–260 Wh/kg im Vergleich zu 180–250 Wh/kg bei prismatischen Zellen.

Prismatische Zellen glänzen dank einer mehrschichtigen Stapelstruktur, die den Platzverlust reduziert, mit einer volumetrischen Energiedichte von 600–750 Wh/L. Im Gegensatz dazu haben zylindrische Batterien aufgrund der größeren Lücken in der runden Struktur und des sperrigen Stahlgehäuses eine Energiedichte von 500–700 Wh/L.

Arten von Batteriezellen	Gravimetrische Energiedichte (Wh/kg)	Volumetrische Energiedichte (Wh/L)
Prismatic	180–250 Wh/kg	600–750 Wh/L
Zylindrisch	200-260 Wh / kg	500-700 Wh/l

Life Cycle

Zylindrische Zellen zeichnen sich im Vergleich zu prismatischen Zellen durch eine längere Zyklenlebensdauer aus. Sie verfügen über ein robustes Metallgehäuse, das die durch den Wickelprozess verursachte Belastung reduzieren kann. Durch das kleinere Zellendesign können zylindrische Batterien die thermische Belastung gleichmäßig auf den Akkupack verteilen, was die Alterung der Batterie reduziert und ihre Lebensdauer verlängert.

Prismatische Zellen verfügen über eine hohe Kapazität, konzentrierte Wärme und ein gestapeltes Elektrodendesign, bei dem der interne Temperaturgradient höher ist, was die Alterung beschleunigen kann. Dieses Design führt tendenziell zu einer Verkürzung der Gesamtlebensdauer prismatischer Zellen.

Wärmemanagement

Aussichtsreich Wärmemanagement ist für die Sicherheit aller Arten von Lithium-Ionen-Batterien von entscheidender Bedeutung. Überhitzung führt zu Kapazitätsverlust und Spannungsschwankungen und löst so einen thermischen Durchgehen aus.

Eine prismatische Zelle ist größer, hat eine Stapelstruktur und eine große Elektrodenfläche und erzeugt mehr konzentrierte Wärme, was leicht zu einem thermischen Durchgehen führen kann. Daher ist es wichtig, eine Immersionskühlsystem zur Temperaturregelung und BMS um den Batteriestatus in Echtzeit zu überwachen.

Die zylindrische Zelle zeichnet sich durch hervorragendes Wärmemanagement aus. Sie verwendet eine gewickelte Elektrodenblechstruktur, und ihr robustes Metallgehäuse und ihre geringe Größe ermöglichen eine einfache Wärmeableitung. Die Wärme kann gleichmäßig im gesamten Akkupack verteilt werden, wodurch das Risiko lokaler Überhitzung reduziert wird. Diese Funktion macht das Laden und Entladen von Akkus sicherer.

Herstellung und Kosten

Zylindrische Zellen sind aufgrund ihrer standardisierten Abmessungen und ihrer hohen Konsistenz eine kostengünstige Wahl. Massenproduktion und eine ausgereifte Lieferkette tragen ebenfalls zu niedrigeren Kosten bei.

Prismatische Zellen erfordern kundenspezifische Gehäuse und kostspielige Montageprozesse. Sie zeichnen sich durch komplexe Herstellungsverfahren und kompakte Strukturen aus, haben jedoch Schwierigkeiten bei der Wärmeableitung und erfordern zusätzliche Designkosten.

Batterieprüfung und -zertifizierung

Sowohl zylindrische als auch prismatische Lithiumbatterien müssen vor dem Eintritt in den internationalen Markt strenge Sicherheits- und Qualitätsstandards erfüllen, wie z. B. UN38.3, IEC-ZertifizierungenDas liegt daran, dass verschiedene Zelltypen unterschiedliche Leistungen hinsichtlich Wärmemanagement, Zykluslebensdauer und Energiedichte aufweisen.

Was sind die Vor- und Nachteile von prismatischen gegenüber zylindrischen Zellen?

Vorteile prismatischer Zellen

Hohe Raumausnutzung: Die prismatische Zelle hat eine regelmäßige Form, die eine hocheffiziente Montage ermöglicht und sie für Anwendungen mit hoher Kapazität, wie z. B. Roboter, geeignet macht.
Überlegene Sicherheit. Es verfügt über eine harte Schale, die mechanische Festigkeit und robuste Quetschfestigkeit bietet.
Flexibles Design. Die Größe kann an verschiedene Formen angepasst werden, um spezifischen Anforderungen gerecht zu werden.

Nachteile prismatischer Zellen

Geringe Standardisierung: Die Spezifikationen der einzelnen Hersteller variieren erheblich, was zu hohen Kosten führt.
Herausforderungen bei der Wärmeableitung: Große prismatische Zellen führen zu einer internen Wärmeansammlung, die ein komplexes Wärmemanagement erfordert.

Vorteile von Zylinderzellen

Hohe Standardisierung. Eine ausgereifte automatisierte Produktion sorgt für niedrige Kosten und hohe Erträge.
Überlegene Sicherheit. Sie verfügen über einen unabhängigen Schutz für jede Einheit, der ein thermisches Durchgehen durch Brandausbreitung verhindert.
Hervorragende Wärmeableitung: Die zylindrische Form ermöglicht eine gleichmäßige Wärmeableitung.

Nachteile von Zylinderzellen

Geringe Gruppierungseffizienz: Die zylindrische Batterie weist eine Lücke auf, was zu einer geringen Volumenausnutzung führt. Daher ist eine strukturelle Füllung erforderlich.
Begrenzte Energiedichte. Kleine Zellkapazität eignet sich für Anwendungen mit geringem Stromverbrauch.
Empfindlich gegenüber mechanischer Belastung: Langfristige Vibrationen führen zur Ermüdung der Schweißnaht.

Vor- und Nachteile von prismatischen und zylindrischen Zellen

Prismatische vs. zylindrische Zellen: Anwendung erklärt

Anwendungen prismatischer Batteriezellen

Prismatische Zellen lassen sich lückenlos stapeln und bieten so eine um über 20 % höhere Raumausnutzung als zylindrische Zellen. Dadurch eignen sie sich ideal für Anwendungen mit hoher Energiedichte, wie beispielsweise Elektrofahrzeuge mit großer Reichweite. Ihre Hartschalenkonstruktion, oft mit Gehäusen aus Aluminiumlegierungen, bietet hervorragende mechanische Festigkeit und Druckfestigkeit und gewährleistet so eine stabile Leistung in Energiespeichersystemen und Luft- und Raumfahrtgeräten. Große Einzelzellen neigen jedoch zu Hitzestaus und erfordern in der Regel komplexe Flüssigkeitskühlsysteme.

Roboter: Ternärer Lithium-Akkupack Die aus prismatischen Zellen zusammengesetzte Batterie ist die perfekte Lösung. Prismatische Zellen bieten eine höhere Volumenausnutzung und versorgen einen Akkupack mit Strom, um eine höhere Energiedichte bei geringem Gewicht zu erreichen. Die NMC-Chemie sorgt für eine längere Laufzeit.
Marineboote: Niedertemperatur-Akkupacks Der Zusammenbau mit prismatischen Zellen nutzt das Volumen effizient aus und bietet einen Akkupack mit größerer Kapazität und besserer Entladeleistung auf begrenztem Raum.

Anwendungen von zylindrischen Batteriezellen

Zylindrische Zellen, standardisiert in Größen wie 18650 und 4680, ermöglichen eine kostengünstige Massenproduktion. Die unabhängige Struktur jeder Zelle verhindert die Wärmeausbreitung, was insbesondere in der Unterhaltungselektronik, bei Elektrowerkzeugen und humanoiden Robotern von Vorteil ist. Ihr runder Querschnitt und der Abstand zwischen den Zellen unterstützen die Immersionskühlung auf natürliche Weise und verbessern die Wärmeableitungseffizienz um bis zu 30 %. Der Nachteil ist, dass gruppierte zylindrische Zellen 15–20 % ungenutzten Raum lassen, was zusätzliche Füllstrukturen erforderlich macht.

E-Bike： Zylindrische Batteriezellen verfügen über eine Wickelstruktur, die das Überhitzungsrisiko reduziert und einen stabilen Betrieb bei hoher Entladung gewährleistet. Verschiedene zylindrische Zellen, wie z. B. 18650 und 21700, können zu Batteriepacks mit unterschiedlichen Kapazitäten und Spannungen kombiniert werden, um den Leistungsbedarf zu decken.
Medizintechnik: Zylindrische Zellen können flexibel in Reihe und parallel geschaltet um die Kapazität und stabile Ausgangsleistung zu verbessern und so dem hohen Energiebedarf verschiedener medizinischer Geräte wie tragbarer Monitore und Infusionspumpen gerecht zu werden.

Wie wählt man zwischen prismatischen und zylindrischen Zellen?

Kurz gesagt: Berücksichtigen Sie bei der Wahl zwischen prismatischen und zylindrischen Lithium-Ionen-Zellen Ihre spezifischen Anwendungsanforderungen. Prismatische Zellen bieten eine höhere Kapazität und eine außergewöhnliche Energiedichte mit Schichtstruktur und versorgen Geräte mit hohem Stromverbrauch, die kompakten Platz und hohe Leistung benötigen, wie z. B. Roboter und Schiffe. Zylindrische Zellen zeichnen sich durch ein überlegenes Wärmemanagement und eine ausgezeichnete mechanische Haltbarkeit aus und unterstützen die Stromversorgung von Geräten mit hoher Entladung unter rauen Bedingungen, wie z. B. Elektrofahrrädern und medizinischen Geräten.

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