Erklärte Energiedichte von Beutelzellen: Wh/kg, Wh/L, Zelle vs. Packung und nutzbare Energie

Die Energiedichte ist eine der ersten Spezifikationen, auf die Ingenieure achten, wenn sie Lithiumbatteriezellen vergleichen. Aber eine Zahl wie 270Wh/kg oder 600Wh/L sagt nicht die ganze Wahrheit.

Um die richtige Batterie für ein Elektrofahrzeug, Energiespeichersystem, UAV, Roboter oder Industriebatteriepaket auszuwählen, müssen Sie drei verschiedene Fragen verstehen:

• Wie viel Energie speichert die Zelle für ihr Gewicht??

• Wie viel Energie speichert es für sein Volumen ??

• Wie viel Energie steht nach der Integration der Zellen in einen kompletten Batteriesatz noch zur Verfügung?

Diese Fragen beziehen sich auf die gravimetrische Energiedichte (Wh/kg), , die volumetrische Energiedichte (Wh/L) und die nutzbare Packungsenergie.

In diesem Leitfaden wird erklärt, wie die einzelnen Metriken berechnet werden, warum die Energiedichte auf Zell- und Packebene unterschiedlich ist und wie man Großformate vergleicht Lithium-Pouch-Zellen für echte Batterieprojekte.

1. Was bedeutet Batterieenergiedichte?

Die Energiedichte einer Batterie beschreibt, wie viel elektrische Energie in einem bestimmten Gewicht oder Raum gespeichert werden kann. Es sollte nicht nur mit der Batteriekapazität verwechselt werden.

Beispielsweise ist eine 100-Ah-Zelle nicht automatisch energiedichter als eine 70-Ah-Zelle. Die größere Zelle kann einfach schwerer oder physisch größer sein.

Um verschiedene Zellen korrekt zu vergleichen, bewerten Ingenieure normalerweise die Energie der Zelle in Wattstunden und setzen diese Energie dann entweder auf die Masse oder das Volumen.

Nennenergie der Zelle: Wh

Die erste Rechnung ist einfach:

Für eine beispielhafte 3,7-V-70-Ah-Lithium-Ionen-Zelle:

Die Zelle speichert somit ca. 259Wh Nennenergie. Dies ist der Ausgangspunkt für die Berechnung von Wh/kg und Wh/L.

2. Was ist die gravimetrische Energiedichte (Wh/kg)?

Die gravimetrische Energiedichte misst, wie viel Energie eine Batterie im Verhältnis zu ihrer Masse speichert. Sie wird in Wattstunden pro Kilogramm ausgedrückt.

Angenommen, eine beispielhafte Zelle speichert 259 Wh und wiegt 0,95 kg:

Ein höherer Wh/kg-Wert bedeutet, dass bei gleichem Batteriegewicht mehr Energie transportiert werden kann.

Dies ist besonders wichtig bei gewichtsempfindlichen Anwendungen wie:

• Elektrofahrzeuge

• Elektromotorräder

• UAVs und Drohnen

• Robotik

• Schiffsantriebssysteme

• Tragbare Industrieausrüstung

Bei einem Elektrofahrzeug kann die Reduzierung der Batteriemasse dazu beitragen, die Reichweite, die Nutzlastkapazität und die Fahrzeugeffizienz zu verbessern. Bei einem UAV kann bereits eine relativ kleine Änderung des Batteriegewichts die Flugzeit und die nutzbare Nutzlast erheblich beeinflussen.

3. Was ist die volumetrische Energiedichte (Wh/L)?

Die volumetrische Energiedichte misst, wie viel Energie in einem bestimmten physikalischen Volumen gespeichert werden kann. Sie wird in Wattstunden pro Liter ausgedrückt.

Wenn eine Zelle 400 mm × 100 mm × 14 mm misst, beträgt ihr ungefähres rechteckiges Volumen:

Wenn dieselbe beispielhafte Zelle 259 Wh speichert:

Wh/L wird besonders wichtig, wenn das Batteriefach eine strenge Größenbeschränkung hat. Ein System toleriert möglicherweise einen etwas schwereren Akku, hat aber dennoch keinen zusätzlichen physischen Platz zur Verfügung.

Beispiele hierfür sind Batterieträger für Elektrofahrzeuge, Motorräder, Roboter, AGVs, kompakte Energiespeicherschränke und spezielle Industrieanlagen.

4. Wh/kg vs. Wh/L: Was ist wichtiger?

Keine der beiden Kennzahlen ist allgemein wichtiger. Die richtige Priorität hängt von der Anwendung ab.

5. Warum Pouchzellen eine hohe Energiedichte erreichen können

Eine Lithium-Pouch-Zelle verwendet eine laminierte flexible Verpackung anstelle der starren Metalldose, die bei zylindrischen und vielen prismatischen Zellen verwendet wird. Dies kann einen Teil der inaktiven Verpackungsmasse reduzieren und gibt Batterieherstellern mehr Freiheit bei der Gestaltung der Breite, Länge und Dicke der Zelle.

Die flache Form kann Batterieentwicklern auch dabei helfen, den verfügbaren Platz effizient zu nutzen, da Zellen in relativ kompakten Stapeln angeordnet werden können.

Es ist jedoch wichtig, nicht davon auszugehen, dass jede Pouch-Zelle automatisch eine höhere Energiedichte aufweist als jede zylindrische oder prismatische Zelle.

Die tatsächliche Leistung hängt ab von:

• Zellchemie

• Elektrodenformulierung

• Zellkapazität

• Verpackungsdesign

• Erforderliche Entladungsrate

• Sicherheitsmargen

• Lebenszyklusziele

• Betriebstemperatur

• Herstellungsprozess

Das Zellformat ist nur ein Teil der Energiedichtegleichung.

Für Kunden, die hochenergetische Lithium-Ionen-Optionen vergleichen, bietet Misen eine Reihe von Optionen an NCM-Pouchzellen für Elektrofahrzeuge, Mobilität, Robotik und industrielle Batterieanwendungen.

6. Chemie ist genauso wichtig wie das Zellformat

Zwei Pouch-Zellen mit nahezu identischen Abmessungen können sehr unterschiedliche Energiedichte, Leistungsfähigkeit, Zyklenlebensdauer und thermisches Verhalten aufweisen. Der Grund dafür ist, dass die interne Chemie und das Zelldesign unterschiedlich sind.

Aus diesem Grund kann die Auswahl einer Batterie nur nach der höchsten Wh/kg-Zahl zu einem falschen Ergebnis führen. Die beste Zelle ist diejenige, die die gesamten Systemanforderungen erfüllt.

7. Die Zellenergiedichte ist nicht gleich der Packungsenergiedichte

Dies ist eines der wichtigsten Konzepte im Batteriedesign.

Die Zellspezifikation eines Herstellers beschreibt normalerweise die nackte Zelle . Ein fertiges Batteriepaket enthält viele zusätzliche Komponenten, die keine elektrische Energie speichern, aber für einen sicheren und zuverlässigen Betrieb notwendig sind.

Jede zusätzliche Komponente fügt Masse und Volumen hinzu, ohne Zellenergie hinzuzufügen. Infolgedessen sind die Wh/kg- und Wh/L-Werte auf Packungsebene bei Messung auf derselben Energiebasis immer niedriger als die entsprechenden Nacktzellenwerte.

8. Ein einfaches Beispiel für die Energiedichte zwischen Zelle und Packung

Stellen Sie sich eine vereinfachte Batterie mit 20 Zellen vor. Angenommen, jede Zelle hat:

• 250Wh Nennenergie

• 0,95 kg Gewicht

• 0,55 l Zellvolumen

Die Zellen zusammen sorgen für:

Auf der Nur-Zellen-Ebene:

Nehmen wir nun an, dass der fertige Rucksack weitere 7 kg und 5 l für Gehäuse, BMS, elektrische Anschlüsse, Strukturkomponenten und Wärmemanagement benötigt.

Die fertige Batterie ergibt ungefähr:

• 26kg Gesamtmasse

• 16L Gesamtvolumen

• 5kWh Nennenergie

Die nominale Energiedichte auf Paketebene beträgt daher ungefähr:

Die Zellen haben sich nicht verändert. Der Unterschied ergibt sich ausschließlich aus den Komponenten, die zum Aufbau eines brauchbaren Batteriesystems erforderlich sind.

Hinweis: Dies ist nur eine illustrative Berechnung. Die tatsächliche Architektur, der Overhead und die nutzbare Energie des Batteriepacks variieren je nach Anwendung und Design erheblich.

9. Was reduziert die Energiedichte auf Packebene?

Mehrere notwendige Systemkomponenten reduzieren die endgültige Packungsebene Wh/kg und Wh/L.

Batteriemanagementsystem

Das BMS überwacht Zellenspannung, Temperatur, Strom und Ladezustand und steuert gleichzeitig Batterieschutzfunktionen. Die Elektronik, die Sensorkabel und die zugehörige Hardware erhöhen die Masse und erfordern Platz.

Sammelschienen, Schütze und Sicherungen

Hochstrom-Batteriesysteme erfordern richtig dimensionierte elektrische Leiter und Schutzvorrichtungen. Je höher der Betriebsstrom, desto wichtiger werden elektrischer Widerstand, Leiterquerschnitt und Wärmeentwicklung.

Zellkompression und mechanische Unterstützung

Beutelzellen verwenden flexible laminierte Verpackungen und erfordern daher normalerweise eine technische Stützstruktur. Das Modul muss die Zelle vor übermäßiger Biegung, Vibration und mechanischer Beschädigung schützen und gleichzeitig die richtige Positionierung und Kompression der Zelle gewährleisten.

Wärmemanagement

Hochleistungs- oder Hochenergie-Batteriesysteme erfordern möglicherweise Kühlplatten, thermische Schnittstellenmaterialien, Luftkanäle oder andere Wärmemanagementkomponenten. Diese Komponenten nehmen sowohl Gewicht als auch Volumen ein.

Gehäuse und Umweltschutz

Eine komplette Batterie muss möglicherweise vor Stößen, Vibrationen, Staub, Feuchtigkeit und äußeren elektrischen Gefahren geschützt werden. Das Gehäuse kann einen erheblichen Teil des Gesamtgewichts des fertigen Systems ausmachen.

10. Nennenergie vs. nutzbare Batterieenergie

Ein weiterer häufiger Fehler besteht darin, nominale Batterieenergie und nutzbare Energie als dieselbe Zahl zu behandeln.

Ein Akku mit einer Nennleistung von 100 kWh liefert im Normalbetrieb nicht unbedingt 100 kWh Energie. Das BMS kann am oberen und unteren Ende des Ladezustandsbereichs Energie reservieren, um die Batterie zu schützen und die erforderliche Lebensdauer zu gewährleisten.

Für eine vorläufige Planung lässt sich die nutzbare Energie wie folgt abschätzen:

Wenn beispielsweise eine 100-kWh-Batterie über einem nutzbaren SOC-Fenster von 80 % betrieben wird:

Dies ist eine vereinfachte technische Schätzung. Die tatsächlich gelieferte Energie hängt auch vom Verhalten der Zellenspannung, der Temperatur, dem Strom, der Alterung, den BMS-Grenzwerten und der Systemeffizienz ab.

11. Nominale Packenergie im Vergleich zur nutzbaren Packenergiedichte

Zurück zum vorherigen Beispiel einer 5-kWh-Batterie: Nehmen wir an, das BMS ermöglicht ein nutzbares Energiefenster von etwa 80 %.

Die vereinfachte nutzbare Energie wird zu:

Bei Verwendung des kompletten 26-kg-16-Liter-Akkus:

Dieses Beispiel zeigt, warum drei Zahlen nicht verwechselt werden sollten:

• Energiedichte nackter Zellen

• Nominale Energiedichte der fertigen Packung

• Nutzbare Energiedichte des fertigen Pakets

Sie beantworten verschiedene technische Fragen.

12. Energiedichte ist nicht gleich Leistungsdichte

Eine Hochenergiezelle ist nicht automatisch eine Hochleistungszelle.

Die Energiedichte gibt an, wie viel Energie gespeichert werden kann. Die Leistungsfähigkeit beschreibt, wie schnell diese Energie geliefert oder aufgenommen werden kann.

Beispielsweise können zwei 70-Ah-Pouchzellen ähnliche Wh/kg-Werte haben, aber sehr unterschiedlich:

• Kontinuierlicher Entladestrom

• Spitzenentladestrom

• Schnellladefähigkeit

• Innenwiderstand

• Wärmeerzeugung

Ein UAV, ein Hochleistungs-Elektrofahrzeug oder ein Hochleistungs-Schiffssystem erfordern daher möglicherweise eine Zelle mit etwas geringerer Energiedichte, wenn sie eine viel stärkere Entladungsfähigkeit bietet.

Aus diesem Grund sollten bei der Zellauswahl Energie, Leistung, Lebensdauer, Abmessungen und thermische Leistung miteinander verglichen werden.

13. Großformatige Pouchzellen und Packungsdesign

Großformatige Pouch-Zellen können einige Batteriearchitekturen vereinfachen, da jede Zelle mehr Energie speichert als eine kleine zylindrische Zelle. Dadurch kann die Anzahl paralleler Zellen und elektrischer Verbindungspunkte reduziert werden, die zum Erreichen einer angestrebten Packkapazität erforderlich sind.

Bei größeren Zellen ist jedoch auch eine sorgfältige Überlegung erforderlich:

• Wärmeverteilung über die Zelloberfläche

• Tab-Temperatur und Verbindungswiderstand

• Mechanische Unterstützung

• Zellkomprimierung

• Zellkonsistenz

• Wartungsfreundlichkeit

• Fehlereindämmung

Weniger Zellen bedeuten nicht automatisch einen besseren Akku. Die richtige Zellgröße hängt von der elektrischen und mechanischen Architektur des Gesamtsystems ab.

Misen bietet mehrere Optionen für großformatige Pouchzellen an, anstatt Kunden auf eine einzige Kapazität zu beschränken. Beispiele hierfür sind die P70A 70Ah Beutelzelle,119Ah NMC-Pouchzelle undK103 103Ah NMC-Pouchzelle.

14. Wie man die Energiedichte von Pouch-Zellen richtig vergleicht

Datenblattvergleiche können irreführend sein, wenn die Messungen nicht auf denselben Bedingungen basieren. Bevor Sie zwei Zellen nach Wh/kg oder Wh/L einordnen, prüfen Sie genau, was jeder Wert darstellt.

Für einen aussagekräftigen Vergleich bestätigen Sie:

• Nennspannung: Wird die gleiche Spannungsdefinition verwendet?

• Kapazität: Bei welcher Entladungsrate und Temperatur wurde die Kapazität gemessen?

• Zellgewicht: Sind Laschen, Isolierung oder zusätzliche Hardware enthalten?

• Abmessungen: Sind Tabs enthalten oder ausgeschlossen?

• Dicke: Bei welchem ​​SOC und welchem ​​mechanischen Druck wurde die Dicke gemessen?

• Energieberechnung: Wird die Energie mit Nenn-V × Ah berechnet oder durch Integration der Entladekurve gemessen?

• Temperatur: Wurden die Zellen unter vergleichbaren Bedingungen getestet?

• Zellzustand: Sind beide Zellen neu und aus vergleichbaren Produktionschargen?

Ohne eine konsistente Messgrenze kann der Vergleich zweier angegebener Energiedichtezahlen leicht zu falschen Schlussfolgerungen führen.

15. Bedeutet die höchste Energiedichte die beste Batterie?

NEIN.

Die Energiedichte ist nur eine Entwurfsvariable. Eine Zelle mit einem sehr hohen Wh/kg-Wert ist möglicherweise nicht die beste Option, wenn Ihr Projekt Folgendes erfordert:

• Sehr hoher Dauerstrom

• Hohe Spitzenleistung

• Extrem lange Zyklenlebensdauer

• Schnelles Laden

• Niedertemperaturbetrieb

• Eine bestimmte Zelldicke oder ein bestimmter Footprint

• Niedrigere Systemkosten

• Unterschiedliche Sicherheits- oder Zertifizierungsanforderungen

Die Batterieauswahl ist daher eher ein Optimierungsproblem mit mehreren Variablen als ein Wettbewerb um die höchste Spezifikationsnummer.

16. Auswahl der richtigen Pouch-Zelle für Ihre Anwendung

Definieren Sie vor der Auswahl einer Zelle die Anforderungen des gesamten Batteriesystems.

Wenn Sie Zellen für ein Elektrofahrzeug oder eine andere Hochenergieanwendung vergleichen, können Sie auch die von Misen erkundenLösungen für Batteriemodule für Elektrofahrzeuge.

17. Optimierung auf Zellebene vs. Optimierung auf Systemebene

Die Zelle mit der besten Datenblattnummer ergibt nicht unbedingt die beste komplette Batterie.

Eine etwas schwerere Zelle könnte die Kühlung vereinfachen. Eine größere Zelle kann die Komplexität der Sammelschienen und Verbindungen verringern. Eine energieärmere Chemie kann eine längere Lebensdauer bieten. Eine dünnere Zelle ermöglicht möglicherweise ein viel besseres Modullayout.

Aus diesem Grund sollte ein professionelles Batteriedesign das gesamte System optimieren , nicht nur die bloße Zelle.

Für Projekte, die eine BMS-Auswahl, Zellenanpassung, Modulstruktur, Sammelschienenplanung oder kundenspezifische Batteriepackentwicklung erfordern, bietet Misen ebenfalls anUnterstützung bei der Entwicklung von OEM- und ODM-Batterien.

Häufig gestellte Fragen

Was ist ein gutes Wh/kg für eine Pouchzelle?

Es gibt keinen einzigen Wh/kg-Wert, der eine gute Pouch-Zelle definiert. Das geeignete Ziel hängt von der Chemie, den Entladeanforderungen, der Lebensdauer, der Temperatur, dem Sicherheitsdesign und der Anwendung ab. Zellen sollten unter gleichwertigen Testbedingungen verglichen werden.

Was ist der Unterschied zwischen Wh/kg und Wh/L?

Wh/kg misst die Energie im Verhältnis zum Gewicht, während Wh/L die Energie im Verhältnis zum physischen Volumen misst. Wh/kg ist besonders wichtig für gewichtsempfindliche Systeme, während Wh/L kritisch wird, wenn der verfügbare Batterieraum begrenzt ist.

Wie berechne ich die Energiedichte einer Pouchzelle?

Berechnen Sie zunächst die nominelle Zellenenergie anhand von Spannung × Kapazität. Teilen Sie diese Energie durch das Zellgewicht in Kilogramm für Wh/kg oder durch das Zellvolumen in Litern für Wh/L.

Warum ist die Energiedichte des Batteriepacks niedriger als die Energiedichte der Zelle?

Ein fertiges Paket enthält Komponenten wie BMS, Gehäuse, Sammelschienen, Verkabelung, Kühlstruktur, Isolierung, Kompressionssystem und Schutzgeräte. Sie erhöhen das Packungsgewicht und -volumen, ohne die Zellenergie zu erhöhen.

Ist eine Pouch-Zelle immer energiedichter als eine zylindrische Zelle?

Nein. Beutelverpackungen können die inaktive Verpackungsmasse reduzieren und flexible Abmessungen ermöglichen, aber die tatsächliche Energiedichte hängt vom gesamten Zelldesign und der Chemie ab. Einzelne Zellmodelle sollten direkt verglichen werden, anstatt davon auszugehen, dass ein Format immer überlegen ist.

Bedeutet eine höhere Energiedichte einen höheren Entladestrom?

Nicht unbedingt. Energiedichte und Leistungsfähigkeit sind unterschiedliche Spezifikationen. Eine Hochenergiezelle kann eher auf Laufzeit als auf extrem hohen Strom optimiert sein. Überprüfen Sie Dauerstrom, Spitzenstrom, Innenwiderstand und thermische Grenzen immer separat.

Was ist nutzbare Batterieenergie?

Die nutzbare Energie ist die Menge an Nennenergie, auf die das Batteriesystem der Anwendung im Normalbetrieb zugreifen kann. BMS-Spannungsgrenzwerte, SOC-Grenzwerte, Temperatur, Alterung und Systemeffizienz können sich alle auf die tatsächlich nutzbare Energie auswirken.

Abschluss

Die Energiedichte von Beutelzellen kann nicht anhand einer einzigen Zahl ermittelt werden.

Wh/kg gibt an, wie effizient eine Zelle Energie nach Gewicht speichert, während Wh/L angibt, wie effizient sie den Raum nutzt. Aber keiner der beiden Werte spiegelt direkt die Leistung eines fertigen Akkupacks wider.

Sobald die Zellen mit struktureller Unterstützung, Stromschienen, BMS-Elektronik, Wärmemanagement und einem Schutzgehäuse integriert sind, nimmt die Energiedichte auf Packebene ab. Aufgrund von SOC-Grenzwerten und anderen Systembeschränkungen kann die nutzbare Energie, die im täglichen Betrieb zur Verfügung steht, wiederum geringer sein.

Für EV-, ESS-, UAV-, Robotik- und Industriebatterieprojekte besteht der beste Ansatz daher darin, Folgendes zu bewerten:

• Wh/kg

• Wh/L

• Dauer- und Spitzenstrom

• Zyklusleben

• Zellenabmessungen

• Temperaturbereich

• Anforderungen an die Paketintegration

• Gesamte nutzbare Systemenergie

Sie können das gesamte Sortiment von Misen durchstöbernGroßformatige Pouch-Zellen oder kontaktieren Sie unser Team für Zellauswahl und Unterstützung bei der Entwicklung von Batteriepacks.