Was ist die Cell-to-Pack-Technologie?

Klassische Batteriegehäuse könnten bald der Vergangenheit angehören. Neue Pack-Architekturen wie Cell-to-Everything-Ansätze sollen die Zukunft sein. Erste Schritte dahin sind bereits mit Cell-to-Pack unternommen worden. 

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Wurden bei Lithium-Ionen-Traktionsbatterien in den vergangenen Jahren vor allem beim Zelldesign oder der Zellchemie Fortschritte erzielt, besteht eine zusätzliche Möglichkeit zur Weiterentwicklung von Batteriesystemen darin, die Pack-Architektur zu optimieren. Tatsächlich hat sich der "modulare Grundaufbau von Traktionsbatterien – bestehend aus Batteriezelle, Batteriemodul und Batteriepack – seit dem Aufkommen der E-Mobilität in den 2000er-Jahren kaum verändert", wie Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) im Artikel Cell-to-Pack-Technologie für Li-Ionen-Batterien aus der Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb erläutern. Das soll sich jetzt durch das Aufkommen neuer Pack-Architekturen ändern. 

Während die Batteriepacks der ersten Generationen noch stark auf etablierte Architekturen und Plattformen aus dem Verbrennungsmotorenbereich basierten, sind mittlerweile dedizierte Elektroplattformen und hochintegrierte Batteriesysteme immer verbreiteter, wie Mareike Schmalz von APL Automobil-Prüftechnik Landau in ihrem Vortrag auf dem Experten-Forum Powertrain 2022 erklärt. Die Batterie als Kernelement verschmelze dabei immer mehr mit dem Gesamtfahrzeug. 

Konzepte wie Cell-to-Pack (CTP) spiegeln diesen Trend wieder und sorgen für zusätzlichen Innovationsschub bei Batterien. Dabei beschreibt Cell-to-Pack "eine neuartige Struktur von Batteriesystemen, die sich durch die direkte Integration der Batteriezelle in das Batteriepack auszeichnet. Auf den Einsatz von Batteriemodulen wird verzichtet", erläutern die KIT-Forschenden. Die CTP-Technologie soll zu Kosteneinsparungen bei gleichzeitig höheren Energiedichten des Batteriepacks führen. Wie APL im Buchkapitel Wie Cell-to-Pack-Systeme den Batterieentwicklungsprozess verändern und welche neuen Tools dafür benötigt werden erklärt, werde geschätzt, "dass das neue Cell-to-Pack-Design eine 15 bis 20 prozentige Erhöhung der Energiedichte auf Systemebene bei Kosteneinsparungen von etwa 30 % erreichen kann".

Optimierung der Pack-Architektur: Cell-to-Pack

Bislang waren Traktionsbatterien in der Regel folgendermaßen aufgebaut: Wie der deutsche Batteriezellen-Hersteller Customcells in einem Beitrag in seiner internationalen Technologie-Publikation "Master of Batteries" erläutert, bilden klassischerweise mehrere Batteriezellen zusammen ein Modul. Diese Module seien in einem Batteriegehäuse untergebracht. Wie eine Lunchbox umschließe das Batteriegehäuse die Module und viele andere Komponenten – von der Elektronik bis zur Kühlung, so Customcells.

Beim Cell-to-Pack-Ansatz werden nun laut Customcells die einzelnen Batteriezellen nicht zu solchen Modulen zusammengesetzt. Stattdessen werden die Batteriezellen miteinander verbunden und direkt in das Batteriegehäuse integriert. Durch die Verwendung von Cell-to-Pack überspringe ein Hersteller diesen Schritt in der herkömmlichen Konstruktion von Batterien, so Customcells. Auf diese Weise lasse sich der Anteil des aktiven Materials in den Batterien erhöhen. Denn größeren Einheiten besitzen weniger totes Verpackungsmaterial und bieten mehr Platz für das eigentliche Speichermaterial.

BYD, CATL und Svolt mit eigenen CTP-Systemen

Einige Batteriehersteller arbeiten bereits an neuen Pack-Architekturen. So haben die KIT-Forschenden insgesamt fünf Hersteller identifiziert, die ein auf der CTP-Technologie basiertes Batteriepack bereits auf dem Markt eingeführt haben oder eine zeitnahe Markteinführung planen. Dazu gehören BYD, LG Chem, CATL, Tesla und Svolt. 

So hat CATL beispielsweise 2022 die dritte Generation seiner Cell-to-Pack-Batterietechnologie vorgestellt. Inzwischen habe das Unternehmen angekündigt, so APL, ein Cell-to-Chassis-Konzept zu verfolgen und den Markteintritt vor 2030 zu planen. Auch das Blade-Batteriesystem von BYD basiert auf der CTP-Technologie. Auf der IAA Transportation 2022 hatte der chinesische Konzern seine Blade-Batterieplattform für den Einsatz in E-Bussen präsentiert. Und Svolt hat im Rahmen der Einführung kobaltfreier Batteriezellen im Jahr 2020 zwei CTP-Konzepte auf Basis unterschiedlicher Zellformate präsentiert.

Vom Gehäuse in die Karosserie: Cell-to-Chassis

Wenn Cell-to-Pack bereits die Batteriezellen direkt in die Batteriegehäuse integriert, liegt es nahe, auch einen weiteren Schritt zu gehen: die Integration der Batteriezelle in das Chassis eines Fahrzeugs. Die Konzepte Cell-to-Chassis-, Cell-to-Vehicle- oder Cell-to-Body greifen diese Idee auf. 

Oder anders ausgedrückt: Wie können vorhandene Komponenten eines Fahrzeugs genutzt werden, um das Batteriegehäuse zu bilden? Bei einem solchen Konzept wären die Zellen direkt mit dem Fahrgestell verbunden, wie Customcells erläutert. Infolgedessen würde das Fahrgestell auch Funktionen für die Batterie wie Kühlung oder Aufprallschutz bieten.

Mehr Flexibilität bei gleichzeitigen Kostenvorteilen

Die Vorteile der Cell-to-Pack- und Cell-to-Chassis-Lösungen liegen auf Hand: Die Anzahl der Komponenten wird reduziert und der vorhandene Platz kann effizienter genutzt werden. Mit dem Entfall der Modulebene könnten laut des Engineering-Dienstleisters Bertrandt bis zu 40 % der Bauteile eines konventionellen Batteriepacks eingespart werden. "Dadurch sinken zum einen die Kosten für Passivmaterialien in der Batterie, und zum anderen kann der Entwicklungsaufwand reduziert werden", so Bertrandt im ATZ-Artikel Cell-to-Pack – Chancen des kompakten Batteriedesigns entlang des Lebenszyklus. Der hohe Integrationsgrad führe darüber hinaus zu einer Reduktion der Systemkomplexität und zu einer Minimierung der Schnittstellen. Da die Batteriezellen viel stärker als integraler Bestandteil der jeweiligen Fahrzeuge und Anwendungen betrachtet werden, ist auch eine größere Flexibilität bei der Konstruktion der Fahrzeuge möglich.

Doch die neuen Designs bringen auch spezifische Herausforderungen mit sich, wie das Aachener Zentrum für integrativen Leichtbau (AZL) erklärt. Zu diesen gehörten unter anderem die Gewährleistung des Schutzes der Batteriezellen vor Beschädigung durch äußere Einflüsse sowie der Brandschutz. Darüber hinaus könnten unterschiedliche Optionen für Recycling und Reparatur die künftigen Konstruktionen erheblich beeinflussen. Verschmilzt die Batterie immer mehr mit dem Gesamtfahrzeug, führt dies auch zu grundlegenden Veränderungen im Entwicklungsprozess, wie Mareike Schmalz von APL betont. Wechselwirkungen zwischen dem thermischen, mechanischen und elektrischen Verhalten der Li-Ionen-Batteriezelle und den anderen Systemkomponenten müssten frühzeitig berücksichtigt werden. Alle Faktoren, die die Zellleistung und -degradation beeinflussen, müssten nun auf Systemebene untersucht werden. "Gasbildung, Zell-Swelling, thermisches Verhalten und Alterungseffekte werden zu zentralen Herausforderungen", so APL. Dazu kommt: Cell-to-Car ist auch nicht mit einem Wechselakku-Konzept vereinbar.

Cell-to-Everything als Zukunftsvision

Künftig sei mit einer schrittweisen Durchdringung der CTP-Technologie auf dem weltweiten Automobilmarkt zu rechnen, prognostizieren die KIT-Forscher. Im Kontext von CTP sei mit dem Wiederaufleben der Lithium-Eisenphosphat (LFP)-Zellen sowie mit der Etablierung von langen, flachen, prismatischen Zellen zu rechnen. LFP-Zellen haben eine sehr hohe Lebensdauer und sind sehr sicher. Von Nachteil ist deren vergleichsweise geringe Energiedichte, was sich aber durch einen höheren volumetrischen Zellanteil im Pack kompensieren lässt. 

Wie Customcells in seinen Zukunftsthesen für Deutschlands Batterieindustrie prognostiziert, sollen die Zellen der Zukunft hochintegrativ in Fahrzeugen verbaut sein. Klassische Batteriegehäuse könnten so der Vergangenheit angehören. Die Vision seien Cell-to-Everything-Ansätze. Erste Schritte seien bereits mit Innovationen wie Cell-to-Pack und Cell-to-Chassis unternommen worden. Die Zellen der Zukunft könnten somit als thermische oder selbsttragende Teile in Fahrzeuge integriert und im Auto vorhandene Komponenten zu einem Gehäuse umfunktioniert werden.