05.11.2026, Uni Münster. Knopfzellen sehen unscheinbar aus, fast wie kleine Metallknöpfe für eine Jacke. In der Batterieforschung sind sie allerdings ein wichtiges Testformat: Neue Materialien lassen sich damit schnell, günstig und mit wenig Material prüfen. Forschende des MEET Batterieforschungszentrums der Universität Münster haben nun untersucht, warum solche Zellen offenbar anders altern als größere Pouch-Zellen.

Das Ergebnis überrascht zunächst: Knopfzellen alterten in den Untersuchungen deutlich schneller als Pouch-Zellen, obwohl beide mit identischen Materialien hergestellt worden waren. Der Kapazitätsverlust fiel bei den Knopfzellen sowohl während der zyklischen als auch während der kalendarischen Alterung durchgehend größer aus. Mit steigender Temperatur wurde der Abstand zwischen den Zellformaten noch größer.

Das Zellgehäuse rückt in den Mittelpunkt

Das Team prüfte mehrere mögliche Erklärungen: den Druck in der Zelle, die Menge an Elektrolyt und Additiven, Lithium-Plating sowie den Innenwiderstand. Als Hauptursachen wurden diese Faktoren ausgeschlossen. Die Ergebnisse deuten stattdessen darauf hin, dass Knopfzellgehäuse möglicherweise nicht vollständig dicht sind. Feuchtigkeit könnte eindringen, Zersetzungsreaktionen auslösen und dadurch die Alterung beschleunigen.

Ein vergleichsweise einfacher Versuch machte den Verdacht greifbar: Wurden die Knopfzellen zusätzlich mit Pouchfolie abgedichtet, verringerte sich der Alterungseffekt deutlich. Für die Übertragbarkeit von Testergebnissen empfehlen die Forschenden deshalb, Knopfzellen bei niedrigeren Temperaturen zu untersuchen, kürzere Testzeiträume zu wählen oder die Zellen zusätzlich abzudichten. So könnten Materialbewertungen zuverlässiger werden und manche Wiederholungstests in größeren Zellformaten entfallen.

Veröffentlicht wurde die Studie von Kai Büscher, Bastian Vetter, Dr. Sascha Nowak, Dr. Philip Niehoff und Prof. Dr. Martin Winter im Journal of The Electrochemical Society. Weitere Unterschiede zwischen Knopf- und Pouch-Zellen sollen in künftigen Studien untersucht werden. Der kleine Metallknopf ist also noch nicht ausermittelt.

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Was bei Batterietests wirklich vergleichbar ist

Ein Kapazitätswert allein erzählt ohnehin nur einen Teil der Geschichte. Zur Zellcharakterisierung gehören auch Energie, gravimetrische und volumetrische Energiedichte, DCIR, EIS, Coulombic Efficiency und die OCV-SoC-Kennlinie. Kapazitäts- und Energiewerte sind nur dann vergleichbar, wenn C-Rate und Temperatur definiert sind. Fehlen Angaben zu C-Rate, Temperatur, Pausen oder Gerätekalibrierung, sind Messergebnisse kaum belastbar einzuordnen.

DCIR beschreibt den Spannungsabfall bei einem kurzen Lastsprung und hilft, Leistung, Wärmeentwicklung und Ladefähigkeit zu bewerten. EIS kann ohmsche, ladungsübertragungs- und diffusionsbedingte Widerstandsanteile voneinander trennen – nützlich für Fehlerdiagnose und Alterungsverfolgung. Eine Coulombic Efficiency unter 100 Prozent weist auf Nebenreaktionen und Lithiumverlust hin. Die OCV-SoC-Kennlinie wiederum bildet die Grundlage für BMS-Kalibrierung, SoC-Schätzung und Zell-Balancing.

Vergleichbare Prüfungen verlangen einiges an Disziplin: CC-CV-Verfahren mit enger Temperaturführung, definierte Relaxationszeiten, HPPC-Profile über den gesamten SoC-Bereich, Tests bei niedrigen und hohen Temperaturen sowie identische Preconditioning-Zyklen, Prüfaufbauten, Leitungen und Messgeräteklassen. Das klingt trocken, entscheidet aber darüber, ob zwei Kurven wirklich etwas miteinander zu tun haben.

Für die Alterung sollten Kalender- und Zyklenalterung getrennt betrachtet werden. Eine reine Kapazitätsmessung reicht nicht aus, weil ein steigender Innenwiderstand die Leistung begrenzt und die Wärmeentwicklung erhöht. Typische Alterungssignaturen sind ein Anstieg des DCIR, Verschiebungen in der EIS, Veränderungen der dQ/dV- oder dV/dQ-Peaks und ein Rückgang der Coulombic Efficiency.

Rundzelle, Prisma oder Pouch?

Die Bauform bringt jeweils ihren eigenen Werkzeugkasten an Vor- und Nachteilen mit. Rundzellen wie 18650 oder 21700 haben robuste Gehäuse, werden in großen Stückzahlen produziert und bieten ein gutes Oberflächen-Volumen-Verhältnis. Dafür braucht ein Batteriesystem viele Einzelzellen sowie komplexe Verbindungs- und Überwachungstopologien. Ihre Modularität und Automatisierbarkeit sind gut, die Ausbreitung eines Thermal Runaway muss jedoch über Abstände und Halterungen kontrolliert werden.

Prismatische Zellen punkten mit hoher volumetrischer Packdichte, stabilen Gehäusen und einer etablierten Integration im Automobilbereich. Zur Zellmitte sind die Wärmewege länger, außerdem steigen die Anforderungen an Tabs und Kontaktierung. Bauraum und Kühlung sollten deshalb früh gemeinsam ausgelegt werden – etwa mit Boden-, Seiten- oder Zwischenlagenkühlung.

Pouch-Zellen nutzen den verfügbaren Raum gut aus, lassen sich flexibel gestalten und haben ein geringes Gehäusegewicht. Ihre Kehrseite: geringe Eigensteifigkeit, Empfindlichkeit gegenüber Quellung und mechanischer Fehlbelastung sowie hohe Anforderungen an die Dichtheit der Siegel. Definierte Kompression, Degassing in der Produktion und eine robuste Packmechanik gegen Aufblähung sind nötig. Eine allgemein beste Bauform gibt es nicht. Bauraum, Thermik, Leistung, Crash- und Propagationsschutz sowie Serviceanforderungen geben die Richtung vor.

Quellung entsteht durch Lithiation, insbesondere an der Anode, und durch Gase aus Nebenreaktionen. Ohne kontrollierte Kompression können Kontaktwiderstände, Tab-Ermüdung und lokale Hot-Spots zunehmen. Zu wenig Druck führt zu Kontaktverlusten, höherem DCIR und ungleichmäßiger Stromverteilung. Zu viel Druck kann Binder, Partikel und Zellstrukturen mechanisch schädigen und die kalendarische Alterung erhöhen.

Auch die Verbindungstechnik ist kein Nebenschauplatz. Ultraschall- und Laserschweißungen müssen dauerhaft niedrige und reproduzierbare Übergangswiderstände gewährleisten. Symmetrische, kurze Strompfade verringern ohmsche und induktive Verluste sowie Temperaturgradienten. Bei der Packintegration zählen außerdem Bauform, Vibration, Crashlasten und definierte Lastpfade: Pouch-Zellen brauchen zusätzliche Struktur, prismatische Zellen nutzen ihre Gehäusesteifigkeit, Rundzellen benötigen Halterungen und eine passende Wicklungsorientierung. Kompressionsrahmen und Elastomere müssen thermische Ausdehnung ausgleichen und das Kompressionsfenster über die Lebensdauer halten.

Alterung ist mehr als weniger Kapazität

Beim Loss of Lithium Inventory bindet etwa das Wachstum der SEI aktives Lithium. Die Kapazität sinkt, die Coulombic Efficiency liegt unter 100 Prozent. Beim Loss of Active Material erhöhen Partikelrisse und Delaminationen den Impedanzwert; an der Kathode kommen Phasenänderungen und die Auflösung von Übergangsmetallen, etwa Mangan, hinzu. Hohe Spannungen und Temperaturen verstärken den Elektrolyt- und Additivabbau, fördern Gasung und können die CEI verändern.

Auch das Nutzungsprofil zählt. Hohe Temperaturen beschleunigen die Reaktionskinetik und damit den Alterungsverlauf. Betrieb nahe 0 oder 100 Prozent SoC fördert Nebenreaktionen; ein moderater Bereich, beispielsweise 10–90 Prozent, ist für die Lebensdauer günstiger. Hohe Laderaten erhöhen das Risiko von Lithium-Plating, besonders bei niedrigen Temperaturen. Vorwärmen ist daher besser als kaltes Schnellladen. Tiefe Zyklen und Micro-Cycling können beide relevant sein – entscheidend bleibt das reale Lastkollektiv.

Für Lebensdauerprognosen müssen SoC, Temperatur und reale Duty-Cycles variiert sowie C-Rate, Pausen und Temperatur standardisiert werden. Die Zellstreuung sollte durch Binning berücksichtigt werden. Möglich sind semi-empirische Modelle mit bewährten Alterungsgesetzen, etwa Zeitanteilen proportional zu √t, Ersatzschaltbild- und EIS-basierte Modelle zur Aufteilung von ohmschen, ladungsübertragungs- und diffusionsbedingten Anteilen sowie physikalische P2D- oder DFN-Modelle für Entwicklung und Materialbewertung.

Seriöse Prognosen brauchen Konfidenzintervalle und eine Cross-Validation über Temperatur, C-Rate und SoC-Fenster. Auf Packebene kommen Zellstreuung, Balancing und thermische Gradienten hinzu. Zell- und Packverhalten sind deshalb nicht identisch – eine kleine, aber folgenschwere Differenz.

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