Vol-tab-celontwerp: hoe een batterijcel sneller opgeladen kan worden zonder oververhit te raken
Stel je een opgerolde krant voor: één lange strook papier die strak is opgerold tot een compacte rol. Dat is ongeveer hoe het binnenste van een cilindrische batterijcel eruitziet, zoals de bekende AA-vormige cellen die in laptops, elektrisch gereedschap en elektrische auto's zitten. Binnenin zit geen papier maar een dunne strook metaalfolie, bedekt met batterijmateriaal, die samen met een tegenpool en een scheidingslaag strak wordt opgerold. Bij een traditioneel ontwerp wordt aan die lange strook, ergens aan één randje, een klein metalen lipje vastgesold: de zogeheten "tab". Via dat ene lipje moet alle stroom van de hele opgerolde strook naar buiten.
Een vol-tab-celontwerp verandert dat principe: in plaats van één klein lipje op één punt, wordt de hele rand van de opgerolde folie gebruikt als aansluitpunt. Vergelijk het met een groot gebouw waar iedereen via één nooddeur naar buiten moet versus een gebouw waar de hele muur ineens openklapt als nooduitgang. In het tweede geval hoeft niemand ver te lopen, en raakt het nergens opgestopt. Zo'n ontwerp is vooral bekend geworden door de "4680"-batterijcel die Tesla in 2020 aankondigde, maar het principe wordt inmiddels door meerdere batterijfabrikanten onderzocht en toegepast.
Wat is het precies?
Een cilindrische batterijcel bestaat uit twee lange, dunne metaalfolies: één met het materiaal voor de positieve elektrode (kathode) en één met het materiaal voor de negatieve elektrode (anode). Tussen deze twee folies zit een dun, poreus scheidingsvel (separator) dat kortsluiting voorkomt maar wel lithium-ionen doorlaat. Dit pakketje van drie lagen wordt strak opgerold tot een compacte cilinder, de zogeheten "jelly roll" (letterlijk: geleirol, vanwege de gelachtige structuur).
Bij de meeste bestaande cellen is elke folie aan één kant niet bedekt met actief materiaal; op dat kale randje wordt een smal metalen strookje vastgelast, de tab. Die tab wordt vervolgens verbonden met de plus- of minpool van de cel. Het probleem: de opgerolde folie kan, uitgerold, wel een meter of langer zijn. Alle elektrische stroom die ergens diep in de rol wordt opgewekt, moet dus een lang stukje door de dunne folie reizen voordat hij bij dat ene tab-lipje aankomt. Dunne metaalfolie heeft, hoe geleidend ook, altijd wat elektrische weerstand. Hoe langer het pad en hoe hoger de stroom, hoe meer warmte daarbij vrijkomt — hetzelfde principe als een te dun verlengsnoer dat warm wordt bij een hoge belasting.
Bij een vol-tab-ontwerp laat men het kale randje van de folie niet ergens één keer vastlassen, maar over de volle omtrek van de rol. Vaak gebeurt dit met een laser die tientallen tot honderden kleine laspunten rondom de rand van de folie aanbrengt, verbonden met een metalen eindplaat die als stroomverzamelaar dient. Het resultaat is dat stroom nog maar een heel kort stukje — recht naar de dichtstbijzijnde rand — hoeft af te leggen in plaats van door de hele opgerolde spiraal. Fabrikanten en onderzoekers melden dat dit de interne weerstand van de cel flink kan verlagen, al lopen de gerapporteerde percentages uiteen en zijn ze sterk afhankelijk van het exacte celontwerp en de testomstandigheden.
Wat wil men ermee bereiken?
Het achterliggende doel is simpel: batterijcellen moeten groter, goedkoper, sneller op te laden en veiliger worden, zonder dat de accu's tijdens gebruik te heet worden. Grotere cilindrische cellen zijn aantrekkelijk omdat een batterijpakket dan met minder, grotere cellen kan worden opgebouwd — dat scheelt bekabeling, behuizing en productiestappen, wat de kostprijs per kilowattuur drukt. Maar grotere cellen hebben ook een langere opgerolde folie, en dus juist meer last van het hierboven beschreven weerstandsprobleem. Een vol-tab-ontwerp is daarom vooral bedacht om grotere cellen toch bruikbaar te maken zonder in te leveren op prestaties.
Minder interne weerstand betekent ook dat een cel harder kan worden opgeladen of ontladen zonder onaanvaardbaar warm te worden. Dat is relevant voor twee dingen die veel gebruikers van elektrische auto's belangrijk vinden: snelladen aan een laadpaal, en voldoende vermogen kunnen leveren bij hard optrekken. Minder warmteontwikkeling helpt bovendien de levensduur van een accupakket, omdat hitte een van de belangrijkste oorzaken is van veroudering en in extreme gevallen van een thermisch weglopend proces (thermal runaway), waarbij een cel zichzelf steeds verder opwarmt tot brand of ontploffing.
Voorbeelden uit de praktijk
Het bekendste voorbeeld is de 4680-cel van Tesla, aangekondigd tijdens de "Battery Day"-presentatie in september 2020. Tesla noemde het zelf een "tabless" ontwerp — zonder apart tab-lipje — maar functioneel komt het op hetzelfde principe neer als hierboven beschreven: de volledige rand van de folie fungeert als contactpunt. Tesla begon met kleinschalige pilotproductie in de fabriek in Fremont (Californië) en breidde de productie later uit in de Gigafactory in Texas, onder meer voor gebruik in de Model Y en de Cybertruck.
Panasonic, al jarenlang een belangrijke batterijleverancier van Tesla, is een eigen versie van deze grotere, vol-tab-achtige cilindrische cel aan het ontwikkelen en heeft hiervoor proeflijnen opgezet in Japan, met plannen voor verdere opschaling in de Verenigde Staten.
LG Energy Solution uit Zuid-Korea werkt eveneens aan cellen in het 4680-formaat met een vergelijkbare volledige-randaansluiting, onder meer bestemd voor levering aan Tesla en andere autofabrikanten.
Samsung SDI, ook uit Zuid-Korea, ontwikkelt een eigen familie grotere cilindrische cellen (vaak aangeduid als de "46-serie", verwijzend naar de diameter van 46 millimeter) met een vergelijkbaar meerpunts- of volledige-randlasproces, met interesse van onder meer Europese autofabrikanten.
Ook de Chinese batterijgigant CATL, veruit de grootste batterijproducent ter wereld, onderzoekt en ontwikkelt grotere cilindrische celformaten met vergelijkbare lasprincipes rond de folierand, al ligt de nadruk bij CATL van oudsher meer op prismatische cellen (rechthoekige, platte cellen) dan op cilindrische.
Hoe ver is de techniek?
Het principe van vol-tab-lassen is technisch niet nieuw — het idee dat je weerstand verlaagt door meer contactpunten te maken, is decennialang bekend binnen de batterij-industrie. Wat wél nieuw is, is het op grote schaal en betrouwbaar toepassen ervan bij massaproductie van cellen, in combinatie met een groter celformaat.
Tesla heeft de afgelopen jaren meermaals aangegeven dat het opschalen lastiger verliep dan aanvankelijk gehoopt. Problemen zaten vooral in de combinatie van het nieuwe lasproces met een ander onderdeel van Tesla's plannen, het zogeheten droge-elektrodeproces (een productiemethode zonder oplosmiddelen, die los staat van het vol-tab-ontwerp maar er vaak mee wordt gecombineerd). Opbrengstpercentages (het aandeel cellen dat aan de kwaliteitseisen voldoet) waren in de eerste productiejaren lager dan bij bestaande, kleinere celformaten. Inmiddels draait de productie in de Gigafactory in Texas op grotere schaal en worden 4680-cellen daadwerkelijk in voertuigen gebruikt, al gebruikt Tesla voor een groot deel van zijn modellen nog altijd kleinere cellen van externe leveranciers zoals Panasonic, LG en CATL.
Bij andere fabrikanten bevindt de technologie zich veelal nog in de fase van proeflijnen en beperkte productie, met concrete plannen voor verdere opschaling in de komende jaren. Onafhankelijke, uitgebreide vergelijkende data over hoeveel de vol-tab-aanpak in de praktijk daadwerkelijk oplevert — in laadsnelheid, levensduur en kosten per kilowattuur — zijn nog beperkt beschikbaar; veel cijfers zijn afkomstig van de fabrikanten zelf en nog niet breed onafhankelijk getoetst.
Wie werken eraan?
De ontwikkeling wordt vrijwel volledig gedreven door de industrie, niet door universitaire laboratoria. De belangrijkste partijen zijn Tesla (Verenigde Staten), dat het concept in de huidige vorm populair maakte, en de grote Aziatische celfabrikanten Panasonic (Japan), LG Energy Solution en Samsung SDI (beide Zuid-Korea), die elk hun eigen variant ontwikkelen. Ook CATL (China), de grootste batterijproducent ter wereld, volgt de ontwikkelingen op het gebied van grotere cilindrische cellen op de voet.
Daarnaast houden onderzoeksinstituten die zich breder bezighouden met batterijtechniek — bijvoorbeeld op het gebied van thermisch gedrag en veiligheid van cellen — de ontwikkelingen in de gaten, maar het daadwerkelijke ontwerp- en productiewerk gebeurt vrijwel geheel bij de fabrikanten zelf, gedreven door de concurrentie in de snelgroeiende markt voor elektrische auto's.