„Das Cell-to-Pack-(CTP)-Konzept setzt sich durch.“

Jonas Gorsch ist Teamleiter Zellentwicklung und wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Forschungsgruppe Battery Engineering and Safety am PEM der RWTH Aachen. Er hat einen Masterabschluss in Maschinenbau und verfügt über mehrere Jahre Projekterfahrung entlang der gesamten Batteriewertschöpfungskette – vom Konzeptdesign bis zur Bewertung von Fertigungsprozessen.

Aktuell leitet Gorsch, der auf der Automotive Battery Conference am 9. und 10. Juli zum Thema BYD vs. Tesla – Cell Tech Benchmark referieren wird, die Arbeitsgruppe zur thermischen Simulation von Zellen innerhalb der Fraunhofer Forschungsfertigung Batteriezelle (FFB) in Münster. Im Rahmen seiner Promotion entwickelt er eine Methodik zur Prognose des thermischen Zellverhaltens auf Basis von Labormessungen an Kleinformatzellen – mit dem Ziel, die thermische Abstimmung zwischen System- und Zelldesign zu verbessern.

Herr Gorsch, was sind die wichtigsten Trade-offs bei Zell-Designentscheidungen führender E-Auto-Hersteller?

Aus ganzheitlicher Sicht in der Automobiltechnik bestehen die primären Trade-offs beim Design von Lithium-Ionen-Batteriezellen zwischen Energiedichte/Reichweite, Schnellladefähigkeit und Kosten. Hinzu kommen Anforderungen wie Sicherheit, Nachhaltigkeit und Lebensdauer. All diese Faktoren führen zu sich gegenseitig beeinflussenden Zielgrößen, die während der Zellentwicklung Abwägungen und eine anwendungsspezifische Optimierung erfordern. Ein gutes Beispiel auf Materialebene ist die Entscheidung zwischen Lithium-Eisenphosphat (LFP) und Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid (NMC) als Zellchemie. LFP-Zellen bieten eine hohe thermische Stabilität, exzellente Zyklenfestigkeit und niedrigere Materialkosten sowie gute Schnellladeeigenschaften – jedoch bei geringerer Energiedichte, was die Reichweite begrenzt. NMC-Zellen hingegen liefern eine höhere Energiedichte und damit eine größere Reichweite, gehen aber mit höheren Materialkosten sowie einem aufwendigeren thermischen Management aufgrund geringerer Stabilität und höherer spezifischer Wärmeentwicklung auf Elektrodenebene einher.

Sind diese Zielkonflikte bei allen konkreten Zell-Designentscheidungen sichtbar?

Ja, sie zeigen sich bei nahezu jeder konkreten Zell-Designentscheidung. Ein Beispiel ist der Zusatz von Carbon Black als leitfähiger Zusatzstoff in der Elektrodenmatrix. Dieser verbessert die elektronische Leitfähigkeit und damit die Leistungsabgabe und Ladegeschwindigkeit. Gleichzeitig erhöht er aber die Kosten und senkt aufgrund des inaktiven Materialanteils die volumetrische Energiedichte. Letztlich müssen E-Fahrzeughersteller diese Parameter in Abhängigkeit von Fahrzeuganwendung und Marktpositionierung optimieren – durch ein ausgewogenes Verhältnis von Leistung, Reichweite und Wirtschaftlichkeit im Zell-Design.

Wie beeinflussen Format und Architektur die Skalierbarkeit und Systemintegration in der Großserienproduktion von E-Fahrzeugen?

Die Wahl des Zellformats und der Zellgröße spielt eine zentrale Rolle sowohl für die Skalierung der Zellproduktion als auch für die Integration in Batteriesysteme. Pouch-Zellen bieten beispielsweise deutliche Vorteile bei der Herstellbarkeit. Aus Sicht der Zellmontage sind sie aufgrund ihres vergleichsweise einfachen Aufbaus am leichtesten skalierbar. Auf Systemebene ergeben sich jedoch erhebliche Herausforderungen, etwa bei der Handhabung der flexiblen Stromableiter, beim Entgasungs- und Sicherheitsmanagement oder beim präzisen Druckmanagement während der Integration. Ein weiterer entscheidender Faktor ist die Elektrodenkonfiguration. Gerollte (Jelly-Roll-)Elektroden ermöglichen höhere Produktionsgeschwindigkeiten und eine einfachere Kontrolle der Anoden-Kathoden-Ausrichtung, was sie für die Hochgeschwindigkeitsfertigung attraktiv macht. Gestapelte Elektroden bieten in der Regel Vorteile bei der Energiedichte, erschweren jedoch den Fertigungsprozess und erhöhen die Komplexität. Auch die Zellgröße ist ein Schlüsselfaktor: Größere Formate wie die zylindrische 4680-Zelle verringern die Anzahl an Einzelzellen pro Batteriepack bei gleicher Energieanforderung.

Können Sie ein Beispiel nennen?

Um dieselbe Energiemenge zu erreichen, muss ein Werk, das 21700-Zellen produziert, etwa fünfmal mehr Zellen herstellen als eines, das 4680-Zellen fertigt. Das vereinfacht die Pack-Montage erheblich, da weniger Zellen gehandhabt, elektrisch verbunden und thermisch gemanagt werden müssen. In der Zellfertigung lässt sich so die Prozesszeit pro Zelle verlängern – beispielsweise ist es einfacher, eine längere Schweißnaht an einer großen Zelle durchzuführen als fünf kürzere Schweißungen an kleinen Zellen.

Warum gewinnt das Cell-to-Pack-Konzept an Bedeutung?

Auf Systemebene ist die Reduktion von Komplexität und Fertigungsschritten entscheidend. Das Cell-to-Pack-(CTP)-Konzept setzt sich durch, da es Zwischenmodule überflüssig macht, die Packeffizienz erhöht, Kosten senkt und zugleich die Anzahl an Bauteilen und Montageschritten reduziert. Pioniere wie BYD mit seinen Blade-Batterien oder Tesla mit strukturellen Batteriepacks zeigen, dass CTP in sehr unterschiedlichen Zellformaten umsetzbar ist. Insgesamt muss die Optimierung solcher Zielkonflikte stets an den Anforderungen der jeweiligen Fahrzeuganwendung ausgerichtet sein – mit Blick auf Skalierbarkeit. Genau das ist derzeit eine der größten Herausforderungen für europäische Zellhersteller wie PowerCo, ACC oder Verkor, die noch dabei sind, ihre Technologie skalierungsfähig zu machen. Die jüngsten Rückschläge von Northvolt bei der Skalierung zeigen, wie schwierig der Übergang von der Pilotfertigung zur Gigafactory ist. Ein entscheidender Punkt ist dabei, sich auf klar definierte Zellformate zu konzentrieren und nicht mehrere Zellformate gleichzeitig ohne ausreichende Vorerfahrung hochzuskalieren.

Was können europäische Zellentwickler von Tesla und BYD lernen?

Eine der zentralen Lehren aus dem Erfolg von Tesla und BYD ist die enorme Bedeutung feinster Detailentscheidungen im Zell-Design für die Skalierbarkeit der Produktion. Skalierbarkeit bedeutet nicht nur Kapazitätsausbau – sie hängt maßgeblich von der Robustheit und Fertigbarkeit des Zell-Designs und der Prozesstechnologie ab. Beide Hersteller zeigen, wie wichtig ein klarer Fokus auf ein optimiertes Zellformat ist: Tesla konzentriert sich auf die zylindrische 4680-Zelle, BYD auf prismatische Blade-Zellen. Dieser Fokus ermöglicht vertikale Integration, Prozessoptimierung und effizientes Hochskalieren. Aktuell verfolgen beide Unternehmen zudem eine klare Strategie mit einer dominanten Kathodenchemie – was ebenfalls entscheidend ist, da die prozessspezifischen Parameter für eine Hochgeschwindigkeits-Elektrodenfertigung stark materialabhängig und technisch anspruchsvoll sind.

Können Sie ein Praxisbeispiel nennen?

Ein Beispiel ist Teslas Verzicht auf klassische Elektroden-Tabs bei den 21700-Zellen, die sonst auf nicht beschichtete Elektrodenbereiche geschweißt wurden. Diese Innovation ermöglicht eine durchgehende Beschichtung der Elektroden – ein entscheidender Schritt für das Trockenelektrodenverfahren, das bei diskontinuierlicher Beschichtung besonders schwierig umzusetzen ist. BYD wiederum nutzt bei seinen Blade-Zellen eine Z-Faltung mit laminierten Separatorrändern. Damit entsteht eine Art „Tasche“ um die gestapelten Elektroden, wodurch große Elektrodeneinheiten stabil fixiert werden. So werden Fehljustierungen und Handhabungsprobleme bei der automatisierten Hochgeschwindigkeitsfertigung minimiert. Die zentrale Erkenntnis daraus: Selbst vermeintlich kleine Designentscheidungen – wie die Fixierung der Separatorränder – können bei der Skalierung enorme Auswirkungen haben. Ungenügend optimierte Details führen im industriellen Maßstab schnell zu hohen Kosten oder Ausschussraten. Deshalb müssen europäische Zellentwickler von Anfang an nach dem Prinzip „Design for Scalability“ arbeiten – also Skalierung früh mitdenken und Erkenntnisse sowohl aus globalen Erfolgen als auch aus eigenen Pilotanlagen systematisch einbeziehen. Letztlich braucht es robuste Industrialisierungsstrategien, die auf einfache, fertigungsgerechte Designs setzen – besonders für neue europäische Anbieter, die zugleich Technologie entwickeln und deren Skalierbarkeit unter Beweis stellen müssen.

Dieser Artikel erschien zuerst auf unserem englischsprachigen Portal Automotive Digital Transformation