Lithium-Ionen-Akku-Rundzellen der Bauform 21700 sind derzeit stark im Kommen, bieten sie gegenüber den 18650er-Zellen doch einige Vorteile. Aber bedeutet dies das Aus für die 18650er?

Laut VDMA-Roadmap 2030 ist die Beliebtheit der Lithium-Ionen-Akku-Rundzellen in Entwicklungsprojekten aller Art unverändert. Ein wichtiger Grund hierfür ist die Steifigkeit und Robustheit der Rundzellen durch ihre Einhausung aus – in der Regel – vernickeltem Stahl. Veränderungen sind allerdings bei der Größe der zylindrischen Zellen beobachtbar: Statt die klassischen zylindrischen 18650er-Lithium-Ionen-Zellen zu verwenden, wird zunehmend mit den großvolumigeren 21700-Formaten projektiert. Das bietet Leistungsvorteile, an die Sicherheit der Systeme stellt es allerdings etwas höhere Anforderungen. Dieser Beitrag ist ein Trend- und Erfahrungsbericht aufgrund der ersten konkreten Anfragen und Projektumsetzungen bei den Batteriesystemexperten von Ansmann mit den neuen Zelltypen.

21 statt 18 mm Durchmesser und 70 statt 65 mm Länge der Zellen kann je nach Akkusystem einen Kapazitätsgewinn von 20 bis 30% bedeuten. Zum einen weisen die größeren Zellen größtenteils eine etwas höhere Energiedichte auf, zum anderen reduziert sich die Anzahl der benötigten Zellen. Im folgenden Beispiel konnte sogar eine komplette Zellreihe entfallen, was die in diesem Fall bemerkenswerten Einsparungen erklärt.

Hier die Berechnung: Um die Laufzeit einer Anwendung zu steigern, muss bei einer maximalen Kapazität von ca. 3,5 Ah bei einer 18650 Zelle – Baugröße also 18 mm Durchmesser und 65 mm Länge – eine Zellenreihe mehr parallel geschaltet werden als bei den 21700er-Zellen. Ein Akkusystem mit 36 V/10,5 Ah wird bei 18650ern mit einem Akkuaufbau von 10S3P (10 seriell 3 parallel) erzielt. Das kann mit einer 21700er-Zellenbauform also 21 mm Durchmesser und 700 mm Länge auf 10S2P reduziert werden. Das Ergebnis: 36 V/10,4 Ah und eine deutliche Reduktion der Verbindungspunkte. Unverändert bleibt, wie bei allen Akkuprojekten, dass unbedingt auf gleiche Kapazität, gleiche Bauart, gleichen Ladezustand, gleiches Alter und am besten Herkunft aus der gleichen Charge, geachtet werden muss.

Bei den Leistungsparametern 36 V/10 Ah klingelt es natürlich sofort: Wir sprechen hier vom klassischen E-Bike-Akku-Leistungsbereich. Dies erklärt, warum das Team von Ansmann Industrielösungen mit den neuen Rundzellen derzeit u.a. an mehreren Projekten im Bereich E-Bikes und Lastenräder arbeitet. Doch auch bei kleineren benötigten Leistungssegmenten wie E-Scootern, können interessante Ergebnisse erzielt werden. Erste Anwendungen sind auch bei Powertools auf Erfolgskurs. Schon 2015 gab es erste gute Erfahrungen mit einem Werkzeug-Akkupack, bei dem eine 2S5P geschalteten 21700er-Akkuzelle von Panasonic mit einer Kapazität von 3,1 Ah z.B. in einem 1000-W-Winkelschleifer zum Einsatz kam. Auch in Handkreissägen und anderen extrem leistungsfähigen Akkuwerkzeugen sind die großen Zylinderzellen zu finden.

Grund ist ein weiterer Vorteil der Zellreduktion: Dank dieser wird zugleich die Zahl der Kontaktpunkte und damit Verbinder im Akkupack reduziert, was positiv auf die Stabilität des Gesamtpacks einzahlt. Der Vorteil der größeren Zelle liegt dabei insbesondere in der Reduktion der notwendigen Schweißpunkte. Dies reduziert die Herstellungskosten des Packs. Außerdem bedeutet eine Verringerung der Verbindungspunkte immer auch eine nochmalige Steigerung der Zuverlässigkeit.

Ähnlich kalkuliert offenbar in großem Maßstab Tesla, wie sich u.a. in der VDMA-Roadmap „Batterieproduktion“ von 2018 nachlesen lässt: „Das von Tesla im Model S verbaute 18650er-Zellformat hat eine gravimetrische Energiedichte von 250 Wh/kg und besitzt eine Kapazität von bis zu 3600 mAh. Das 21700er-Zellformat wird außerdem belastbarer, da durch die Vergrößerung der geometrischen Abmaße das Verhältnis von Aktivmaterial zu Inaktivmaterial ansteigt. Mit der Vergrößerung der Zelle kann die gravimetrische Energiedichte um 20% auf bis zu 300 Wh/kg gesteigert werden. Die volumetrische Energiedichte kann laut Aussagen des Tesla CTO J.B. Straubel sogar eine rund 30%ige Steigerung gegenüber der 18650er-Zelle erzielen. Sie liegt damit bei 820 Wh/l. Kapazitäten werden von bis zu 4800 mAh erreicht. Dabei ist anzunehmen, dass bei dieser Steigerung auch Optimierungen an Material und Elektroden mit einfließen.“ Bei dieser Berechnung ist allerdings davon auszugehen, dass auch nicht mit gleichem Aktivmaterial projektiert wird.

Bild 1: Keine Angst vor der Umstellung auf 21700er-Rundzellen bei den Akkupacks – die bestehende Ladetechnik kann weiter verwendet werden. (Bild: Ansmann)

Zwei Gründe stehen somit im Fokus des Umstiegs auf 21700er-Zellen: Zum einen bieten sie mehr Leistung auf weniger Raum. Zum anderen können durch die veränderten und kleineren Maßen neue Bauformen bei der Konstruktion der Akkus realisiert werden. Hierüber freuen sich die Designer, da hiervon die Konstruktionen für die Lastenräder stark profitieren. Je nach innovativer Positionierung des Bike-Herstellers kann auch der Aspekt „neue 21700er-Technologie inside“ als Markenvorteil betrachtet und aktiv vermarktet werden.

Dies spricht sich zunehmend herum. Die Zahl der Kunden die direkt nach 21700er-Lösungen fragen, steigt seit anderthalb Jahren ständig. Doch auch die Unsicherheit ist groß. Nötig ist eine gute Beratung und Prioritätenabwägung, um final die richtige Entscheidung zu treffen. Denn natürlich haben die größeren Zellen nicht nur Vorteile. Insbesondere ist ein Kritikpunkt offensichtlich: Sie sind in Bezug auf Preis zu Energie noch knapp 10% teurer als die qualitativ ebenfalls hochwertige 18650er-Ausführung.

Dies liegt zum einen an den hohen Produktionsvolumina und stabilen Fertigungsprozessen der 18650er. Aber auch Komponenten wie Becher und Elektroden der 18650er sind dank sehr großer Volumen im Einkauf (noch) günstiger als die der neuen Produkte. Einige Hersteller wie Tesla gehen bei entsprechender Massen-Serienfertigung jedoch von in Kürze günstigeren Preisen der größeren Zellen aus (Quelle: PEM der RWTH Aachen aufgrund von DNKN Power Report „The future will be 21700“, 2018).

Bild 2: Weniger Zellen, weniger Verbindungspunkte. Die großvolumigeren 21700er-Zellen sorgen zukünftig für noch mehr Stabilität des Packs als diese 18650er. (Bild: Comm:Motions)

Auch wer großen Wert auf möglichst multiple Sourcing-Optionen oder eine große Vielfalt an speziellen Ausführungen legt, muss sich wohl noch gedulden. Bislang sind nur die Big Five der Rundzellenhersteller mit jeweils relativ wenig 21700er-Typen am Markt präsent. Außerdem besteht deutlich weniger Auswahl in punkto Kapazität, Hochstromversion und anderen Spezialausführungen. Das Team von Ansmann Industrielösungen arbeitet auch bei den 21700er-Projekten vorwiegend, wie auch bisher, mit LG- und SDI/Samsung-Zellen. Beide Hersteller pushen die 21700er-Zellen derzeit sehr stark. Auch bei den Zellen mit speziellem Leistungsprofil bewegt sich einiges: Seit kurzem ist LG mit einer 5000-mAh- sowie Samsung SDI mit einer 5000-mAh-Version und einer 4000-mAh-40T-Hochstromversion am Markt.

Unter den meisten andern Aspekten ist der Umstieg völlig unkritisch. So ändert sich In Sachen Steuerung und Sicherheit wenig. Lediglich bei der Auswahl des Batteriemanagementsystems (BMS) muss eine Anpassung der Parameter und auch die entsprechende Leistung berücksichtigt werden. Bei einer Kapazitätserhöhung von 10% wird z.B. in der Literatur von Tesla davon ausgegangen, dass die Wärmeentwicklung um bis zu 20% steigen wird. Um thermisches Durchgehen zu vermeiden, bedarf es insofern beim 21700er-Zellformat eines angepassten Kühlsystems, das aber bei Projekten im niedrigeren Leistungsbereich, wie bei den E-Bikes, kein relevantes Problem darstellt.

Generell scheiden sich bezüglich der Belastbarkeit die Geister. Manche Skeptiker sehen bei den größeren Zellformaten aufgrund des größeren Anteils an Aktivmaterial ein leicht erhöhtes Risiko für thermisches Durchgehen. Die Strombelastbarkeit sinkt rechnerisch, da sich vom thermischen Gesichtspunkt das Verhältnis Oberfläche zur Masse verschlechtert und somit die Entwärmung der Zelle mit zunehmender Größe schwieriger wird. Zudem nehmen die Elektrodenlänge und die Anzahl der Schichten zu, was ebenfalls der Belastbarkeit eher entgegen wirkt.

Berechnet man die maximale Strombelastung der Zelle gleicher Generation an einem Beispiel mit gleichem Aktivmaterial, so ergibt sich für INR18650-35E 8 A, für INR21700-50E 9,8 A, die relative Belastbarkeit sinkt etwas. In den bisherigen Projekten ergab sich hieraus jedoch kein Problempotenzial. Auch die kalendarische Lebensdauer der Zellen scheint sich wenig zu verändern.

Auch in punkto Ladetechnik ist der Umstieg einfach. Wer auf 21700er setzen oder bei einem Re-Design umrüsten möchte, kann dies entspannt tun. Die bisherigen Ladegeräte konnten in fast allen Fällen weiterverwendet werden. Gelegentlich wurden minimale Softwareanpassungen nötig, falls Werte wie Kapazität und Ladeschlussspannung verändert wurden.

Auch Engpässe bei der Zellversorgung sind mehr als unwahrscheinlich. Neue Zellproduktionslinien sind inzwischen meist so aufgebaut, dass sich nach Bedarf 18650er- oder 21700er-Baugrößen darauf herstellen lassen. Die Hersteller konzentrieren sich aktuell bei neuen Anlagen auf diese Hybridlinien. Damit steigt die Flexibilität, den Herstellern kann letztlich egal sein, welche Baugröße der Markt nachfragt – und völlig unabhängig von der konkreten Marktanforderung fahren die Linien konstant auf voller Auslastung.

Wieder aussterben werden die 21700er also auch auf lange Sicht nicht. So berichten namhafte Automotive-Unternehmen, dass sie inzwischen 21700er-Technologie bei Hybrid-Fahrzeugen im Design-In haben, da weniger 21700er-Zellen benötigt werden, lassen sie sich einfacher zu Packs mit kompakteren Baumformen verarbeiten als 18650er. Auch sind sie günstiger als prismatische Hochleistungszellen.

Bild 3: Autor Thilo Hack mit einem Akku, der kleiner wäre, wenn auf 21700er-Zellen umgestellt würde. (Bild: Comm:Motions)

Zudem wird die 21700er-Baugröße in den kommenden Monaten und Jahren technologisch viel stärker weiterentwickelt als die 18650er – die in Sachen Baugröße und Energiedichte ziemlich ausgereizt ist. Samsung hat bereits im April 2016 angekündigt, in Zukunft seinen F&E-Fokus auf das große Format legen zu wollen. Dabei ist das eine Thema hier Kapazität. Aber auch Hochstromanwendungen oder Optimierungen in Sachen Zyklenfestigkeit werden bei einem wachsenden Markt für die Zellhersteller immer noch attraktiver werden.

Als Fazit lässt sich sagen: „The winner takes it all“ durch die neue Zellgröße ist nicht zu erwarten. Eine komplette Ablösung etablierter Akkusysteme durch 21700er-Zellen wird auch in absehbarer Zeit nicht stattfinden. Die 18650er-Zelle wird noch längere Zeit Ihre Berechtigung am Markt haben und den größten Teil des Marktes abdecken. Hochrechnungen anhand der Bedarfszahlen zeigen auch weiterhin Zuwächse. Allerdings suchen die Entwickler nach Alternativen. Hier dürfte die 21700er-Zelle prozentual, da von niedrigem Niveau kommend, aufgrund ihrer Kapazitäts- und Designvorteile in den nächsten Jahren aufgrund der genannten Vorteile unserer Prognose nach die deutlich höheren Wachstums- und Innovationsraten aufweisen.

Generell ist und bleibt gleichzeitig auch die Rundzelle in Akkuanwendungen in den meisten Marktsegmenten an der Pole Position, da sie in jeglicher Größe nach wie vor die günstigere Zelle in Bezug auf Preis-Leistung ist. Diese Rechnung verändert sich erst, wenn man die komplette Fertigungstiefe bei sehr großen Packs betrachtet. Dort ist die Pouchzelle bei z.B. Automotive-Packs deutlich einfacher und schneller zu verarbeiten. Aber bleibt man bei Rundzellen, so ergibt die Umrüstung auf die neue 21700er Zellgröße häufig klar Sinn, wie die sehr guten Erfahrungen der Ansmann-Entwicklungsabteilung mit den 21700er-Zellen bislang deutlich zeigen.

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Dieser Beitrag ist erschienen in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 23/2019 (Download PDF)

* Thilo Hack ist Leiter Industrielösungen bei der Ansmann AG.

* Miriam Leunissen ist freie Journalistin und Inhaberin der Agentur Comm:Motions – Text und PublicRelations.

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