Batterieausführungen - ein Blick auf alte und neue Lösungen

Um 1700 und 1800 wurden die Batteriezellen in grossen Glasbehältern untergebracht. Später wurden Mehrzellen-Batterien entwickelt, die in Holzbehältern eingebaut wurden. Die Holzbehälter wurden mit einem Dichtungsmaterial behandelt, um das Auslaufen von Elektrolyt zu verhindern. Mit dem aufkommenden Bedarf von Beweglichkeit wurden zylindrische Zellen entwickelt. Die versiegelten Zellen wurden nach dem 2. Weltkrieg zum Standard.

Der Bedarf an immer kleineren und kompakteren Zellen führte zu einer kontinuierlichen Verkleinerung der Batteriezellen, und um 1980 erschienen die ersten Knopfzellen auf dem Markt. In den frühen 1990 erschienen die prismenförmigen Zellen, welchen etwas später die modernen folienförmigen Zellen folgten. Wir werden nun die Stärken und Schwächen dieser verschiedenen Ausführungsformen untersuchen.

Die zylindrische Zelle

Die zylindrische Zelle ist noch immer die am weitesten verbreitete Ausführungsform. Sie ist einfach zu produzieren, gestattet die grösste Energiedichte und ist mechanisch sehr stabil. Der Zylinder weist die Fähigkeit auf, innerem Druck sehr gut zu wiederstehen. Die typischen Anwendungsgebiete sind drahtlose Kommunikation, mobile Datenverarbeitung, biomedizinische Instrumente, Werkzeuge und andere Applikationen, wo kleine Abmessungen nicht erforderlich sind.

Die Knopfzelle

Die Knopfzelle wurde entwickelt, um die Zellengrösse zu reduzieren und die Lagerung zu verbessern. Nicht aufladbare Zellen werden in Uhren, Hörhilfen und Speichergeräten angewendet.

Photo courtesy of Sanyo; design courtesy of Panasonic

Die wiederaufladbare Knopfzelle ist meistens auf Nickelbasis aufgebaut, und wird in älteren drahtlosen Telefongeräten, biomedizinischen Geräten und industriellen Instrumenten angewendet. Obschon in der Herstellung günstig, ist der Hauptnachteil die Ladezeit von 10 bis 16 Stunden. Auch wird sie aufgebläht, wenn die Aufladung zu schnell erfolgt. Neuere Konstruktionen verlangen die Möglichkeit der schnelleren Aufladung. Knopfzellen haben kein Sicherheitsventil.

Die prismenförmige Zelle

Die prismenförmige Zelle wurde in den frühen 1990er Jahren entwickelt als Antwort auf den Wunsch von Kunden nach dünneren Batterieformen. Prismenförmige Zellen sind gewöhnlich für die Familie der Lithiumzellen vorgesehen. Die Polymerversion ist ausschliesslich eine prismenförmige Ausführung.

Ansicht freundlicherweise durch Polystor zur Verfügung gestellt

Die prismenförmige Zelle erscheint in verschiedenen Grössen und mit Kapazitäten von 400mA bis 2000mAh und mehr. Es gibt keine Standard-Zellen-Grösse; man darf eher sagen, die prismenförmigen Zellen sind kundenspezifisch gebaut, für Zellulartelefone und andere Geräte mit eher grösserem Volumen.

Die negativen Punkte der prismenförmigen Zellen sind eine leicht kleinere Energiedichte und höhere Produktionskosten als die zylindrischen Zellen. Dazu haben prismenförmige Zellen nicht dieselbe mechanische Stabilität wie die zylindrischen Zellen.
Prismenförmige Zellen haben kein Lüftungssystem. Um das Aufblähen unter dem Druck zu verhindern, wird ein stärkeres Material für das Gehäuse verwendet. Eine kleine Rundung muss bei der Entwicklung einberechnet werden.

Die Folienzelle

Die Einführung von Folienzellen um 1995 war ein grosser Fortschritt in der Zellenentwicklung. Eher als aufwendige metallische Gehäuse mit Glasdurchführungen für die elektrischen Leiter zu verwenden, wird hier eine heiss versiegelbare Folie verwendet. Die elektrischen Kontakte bestehen aus leitfähiger Folie, die mit der Elektrode verlötet ist und mit dem Folienmaterial versiegelt wird.

Das Konzept der Folienzelle ein genaues Zuschneiden der Zellendimensionen. Dies ist die effizienteste Lösung, um den vorhandenen Platz zu nutzen, d.h. die Nutzung ist 90 bis 95%, der höchste Wert unter allen Batterietypen. Da kein Metall verwendet wird, ist eine Folienzelle sehr leicht. Die wichtigste Anwendung sind Zellulartelefone. Es gibt keine Standardfolienzellen; jeder Hersteller baut eine spezielle Applikation.

Folienzellen werden ausschliesslich für auf Lithium basierende Chemien verwendet. Die Produktionskosten sind noch immer höher als konventionelle Systeme und ihre Zuverlässigkeit wurde noch nicht vollständig nachgewiesen. Dazu kommt, dass die Energiedichte und der Ladestrom leicht geringer sind. Die Lebenserwartung konnte noch nicht klar definiert werden, aber sie bleibt geringer als für andere Verpackungssysteme.

Ein kritischer Punkt bei der Folienzelle ist das Aufblähen, das erfolgt, wenn während dem Lade- oder Entladevorgang Gas entsteht. Es muss die Möglichkeit bestehen, dass kleine Verformungen stattfinden können, auch wenn die Batteriehersteller darauf bestehen, dass in den Zellen kein Gas entstehe, solang die Zelle korrekt geladen werde. Es ist besser, die Folienzellen nicht aufeinander zu lagern, sondern sie nebeneinander zu legen.
Die Folienzelle ist höchst empfindlich gegen Verdrehung. Punktueller Druck sollte ebenfalls vermieden werden. Die Schutzhülle muss so konstruiert sein, dass sie die Zelle gegen jeden mechanischen Einfluss schützt.

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