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Technologie-Trend: Tabless contacting in kleinformatigen Lithiumionenzellen
Immer mehr Zellhersteller fertigen kleinformatige Batteriezellen im sogenannten Tabless-Design. Auch im Produktportfolio von Omnitron Griese nimmt die Zellarchitektur, die ohne die klassischen Tabs auskommt, einen prozentual noch geringen, jedoch wachsenden Anteil ein. Dies gilt beispielweise für die häufig in Akkupacks verwendeten Formate 18650 und 21700 oder auch 26650. Doch was steckt hinter dem Trend des „tabless contacting“ in kleinformatigen Lithiumionenzellen? Und welche Verbesserungen bringt er mit sich?
Vorteile: Ladezeit, Effizienz und Lebensdauer
Ursprünglich wurde die Tabless-Technologie für größere Zellformate im Bereich der Elektromobilität entwickelt. Heute finden sich auch kleinformatige Tabless-Zellen in der Anwendung, zum Beispiel in Werkzeugakkus, E-Bikes oder anderem High-power-Bedarf. „Das Tabless-Design hat einen positiven Effekt auf den Innenwiderstand der Zelle“, sagt Dr. Frank Diehl, Chief Operating Officer der Omnitron Griese GmbH. Dieser Effekt bringt gleich mehrere Vorteile mit sich. Durch den geringeren elektrischen Widerstand entwickelt sich weniger Wärme, die Zelle kann schneller laden und höhere Leistung abgeben. Dadurch steigen Effizienz und Lebensdauer der Zelle.
Der Grund für die besseren Zelleigenschaften liegt im neu verteilten Stromfluss. Beim klassischen Zellaufbau führen punktuell angebrachte Metalllaschen, die „Tabs“, den Strom aus den Elektroden zum Pol. Dies führt zu langen Wegen innerhalb der Zelle. Zudem „staut“ sich der Strom an den wenigen Übergängen. Beim Tabless-Design entfallen die Metalllaschen. In der direkten Kontaktierung der Elektrode mit dem Gehäuse bzw. dem Pol wird der Strom entlang der gesamten Kante der gewickelten Elektrode gleichzeitig abgeführt.
Herausforderungen: Verbesserung im Format-Verhältnis
Die verbesserte Leitfähigkeit und die damit einhergehenden höheren Ströme wirken sich, zumindest bislang, nicht auf allen Ebenen pauschal positiv aus. „Im Vergleich zu den herkömmlichen Zellen sind Tabless-Formate heute noch deutlich teurer“, sagt Dr. Frank Diehl. „Die bestehenden Produktionslinien der Zellindustrie sind samt ihrer Maschinen, Prozesse und Prüftechnik noch immer auf das Tab-Design ausgelegt. Die Umstellung erfordert eine Investition, die sich insbesondere für die kleineren Zellformate erst noch beweisen muss.“ Denn: Die Verbesserung der Zellperformance durch das Tabless-Design fällt in kleinen Batteriezellen geringer aus als in größeren Zellformaten. „Die Stromwege sind hier bereits relativ kurz. Dadurch holt die Tabless-Architektur in kleinformatigen Zellen im Verhältnis betrachtet weniger raus“, sagt Dr. Frank Diehl. „Zudem verlangt nicht jede Anwendung eine neue High-End-Leistung, auch das ist zu bedenken.“
Entscheidungsfindung: Stromprofil, Platzbedarf, thermische Anforderungen
Die stete Erweiterung des Omnitron-Zellportfolios um weitere Tabless-Formate ist dennoch eine echte Bereicherung – sowohl für die direkten Anwender der Zellen als auch für kundenspezifische Akkupacks. „Das wachsende Portfolio liefert uns mehr Spielräume in der Entwicklung von Batterie- und Akkupack-Lösungen, so dass wir die Kundenanforderungen noch besser erfüllen können. Im Grunde sind wir zellagnostische Pack-Entwickler. Wir suchen für unsere Kunden das Beste heraus. Dafür brauchen wir ein breites Zell-Portfolio unterschiedlicher Formate, Chemien und eben auch Architekturen“, sagt Dr. Frank Diehl. „Wenn wir bei Kostengleichheit mit mehr Reserven auf die Lebensdauer einzahlen können und zugleich einen besseren thermischen Effekt erreichen, dann fällt unsere Wahl natürlich auf Zellen mit der Tabless-Kontaktierung. Die Tabless-Technologie ist auch immer dann eine Option, wenn Energiedichte und Leistungsdichte in einer Applikation wichtig sind.“ Dies gilt branchenübergreifend zum Beispiel für Anwendungen mit hohen Anlaufströmen oder bei Applikationen, die einen Dauerbetrieb oder gar eine unterbrechungsfreie Stromversorgung, das sogenannte UPS, vorsehen. Hier erreicht das Tabless-Design höhere Ent- und Ladeleistungen. Das bedeutet, dass die Zellen bei gleicher Energiedichte schneller laden. „Auch bei begrenztem Platzbedarf innerhalb des Packs gewinnt wahrscheinlich das Tabless-Design“, sagt Dr. Frank Diehl. Die Entscheidung für ein Zelldesign orientiert sich somit immer am Stromprofil sowie an räumlichen und thermischen Vorgaben. Erst wenn die Applikationsanforderungen erfüllt sind, stellt sich die Frage, ob das Zell-Design mehr Leistung oder eine Kostenoptimierung erreichen soll.
Zukünftige Entwicklung: günstigere Stückpreise durch industrielle Skalierung
Mit großen Innovationen innerhalb der Tabless-Technologie ist zukünftig nicht zu rechnen. „Der Performance-Sprung ist mit der Umstellung vom Tab- auf das Tabless-Design vollzogen“, sagt Dr. Frank Diehl. „Technologisch wird sich das Design sicherlich nur noch graduell weiterentwickeln. Sehr wahrscheinlich ist jedoch, dass die Zellen im Tabless-Format mit der Zeit günstiger werden.“ Die Zellindustrie befindet sich erkennbar auf dem Weg der Umstellung vom Tab-Design auf das Tabless-Design. Immer mehr Hersteller planen die Serienproduktion von kleinformatigen Tabless-Zellen. Sie folgen damit einem klaren technologischen Trend, der zwar noch keinen flächendeckenden Marktdurchbruch erzielt hat, jedoch eindeutig im Produkt und seiner Anwendung angekommen ist. Dies wird die industrielle Skalierung befördern. „Die Massenproduktion kann trotz der gleichbleibenden Zellkostentreiber zu vergleichbaren oder gar kostengünstigeren Stückpreisen führen“, sagt Dr. Frank Diehl. „Doch wie schnell und wie vollständig sich dieser Wandel vollzieht, bleibt offen. Teilweise bremsen Patente die schnelle Verbreitung von Tabless-Lösungen. Und nicht zuletzt bestimmt die Kundenanfrage den Markt. Solange es noch laufende Tab-Linien gibt, wird es auch Zellen mit den klassischen Tabs geben. Sie sind immerhin einfach herzustellen, günstig und bewährt.“