Pouchcel: de flexibele batterij in je telefoon en elektrische auto

Een pouchcel is een type oplaadbare lithium-ionbatterij die niet in een harde metalen bus zit, maar in een flexibele, verzegelde folieverpakking — een beetje zoals een zak koffie of een vacuümverpakt stuk vlees. Waar een gewone AA-batterij of het cilindervormige batterijtype dat Tesla lange tijd gebruikte een stevige metalen huls heeft, bestaat de "verpakking" van een pouchcel uit een dun laagje aluminiumfolie tussen twee laagjes plastic. Daarbinnen zitten dunne, op elkaar gestapelde laagjes die samen de eigenlijke batterij vormen.

Dat klinkt misschien als een detail voor techneuten, maar de vorm van een batterijcel bepaalt voor een groot deel hoe licht, hoe compact en hoe veilig een apparaat kan worden. Praktisch elke smartphone die je in je zak hebt, bevat een pouchcel: het is de reden dat telefoons steeds dunner konden worden terwijl de batterij toch groter werd. Ook in elektrische auto's duiken pouchcellen steeds vaker op, naast de twee andere gangbare vormen: cilindrisch en prismatisch (rechthoekig met een harde behuizing).

Wat is het precies?

Een lithium-ionbatterij werkt met een positieve elektrode (de kathode), een negatieve elektrode (de anode) en een tussenlaag die de twee van elkaar scheidt maar wel lithium-ionen doorlaat (de separator), gedrenkt in een geleidende vloeistof (de elektrolyt). Bij het opladen en ontladen bewegen lithium-ionen heen en weer tussen anode en kathode, en die beweging levert de elektrische stroom.

Bij een cilindrische cel worden deze laagjes als een soort broodje opgerold en in een harde metalen koker gestopt, zoals bij de bekende 18650- of 2170-cellen. Bij een prismatische cel zit een vergelijkbare wikkeling of stapeling in een stevige, rechthoekige metalen of harde plastic doos. Bij een pouchcel worden de laagjes plat op elkaar gestapeld — een beetje als een stapel boterhammen — en vervolgens verpakt in de eerdergenoemde aluminium-laminaatfolie, die aan de randen wordt dichtgelast.

Het grote voordeel: er is geen zware, stijve behuizing nodig, waardoor een pouchcel per kilo meer energie kan bevatten dan een vergelijkbare cilindrische of prismatische cel. Bovendien kan de vorm relatief vrij worden aangepast — dunner, breder, in bijna elk gewenst formaat — wat handig is voor apparaten waar elke millimeter telt, zoals smartphones, laptops en drones.

Daar staat een nadeel tegenover: omdat de folieverpakking zelf niet stevig is, moet een pouchcel in een batterijpak (het grotere geheel van cellen in bijvoorbeeld een auto) mechanisch worden ondersteund door een frame of kader eromheen. Pouchcellen kunnen tijdens hun levensduur ook enigszins "zwellen": er ontstaat een klein beetje gas door chemische bijreacties, waardoor de zak iets opbolt. Fabrikanten houden hier in het ontwerp rekening mee door ruimte te reserveren en drukverdeling toe te passen, maar het blijft een aandachtspunt bij veroudering en bij productiefouten.

Wat wil men ermee bereiken?

De belofte van de pouchcel is simpel samen te vatten: meer energie in minder gewicht en minder ruimte. In een smartphone betekent dat een dunner toestel met een batterij die toch een hele dag meegaat. In een elektrische auto betekent het potentieel een grotere actieradius zonder dat de auto zwaarder wordt, of dezelfde actieradius met een lichter en dus efficiënter voertuig.

Een tweede doel is flexibiliteit in ontwerp. Omdat pouchcellen relatief eenvoudig in verschillende maten en diktes te maken zijn, kunnen ontwerpers de batterijvorm aanpassen aan de beschikbare ruimte in een product, in plaats van andersom. Dat is aantrekkelijk voor autofabrikanten die batterijpakketten willen inpassen in de bodemplaat van een auto, en voor fabrikanten van consumentenelektronica die steeds compactere apparaten willen bouwen.

Ten slotte spelen kosten en productiesnelheid mee: het stapelen of vouwen van elektrodelagen en het lassen van een folieverpakking kan, afhankelijk van de fabricagelijn, goedkoper en sneller zijn dan het produceren van een stevige metalen behuizing, al hangt dit sterk af van de schaal en de precisie die nodig is om lekkage en kortsluiting te voorkomen.

Voorbeelden uit de praktijk

Pouchcellen zijn geen toekomstmuziek, maar worden al jarenlang op grote schaal toegepast. Een paar voorbeelden illustreren zowel de kansen als de risico's:

Smartphones (doorlopend, sinds midden jaren 2000): vrijwel alle moderne smartphones, waaronder de iPhone van Apple en de Galaxy-modellen van Samsung, gebruiken pouchcellen omdat deze dun en op maat gemaakt kunnen worden om precies in de behuizing te passen.

Nissan Leaf (vanaf 2010): een van de eerste massaal geproduceerde elektrische auto's gebruikte van meet af aan laminaat- oftewel pouchcellen, geleverd door batterijmaker AESC (tegenwoordig Envision AESC).

Chevrolet Bolt EV en de terugroepactie (2020-2021): General Motars moest een groot deel van de geproduceerde Bolt-modellen terugroepen nadat bleek dat productiefouten in de door LG geleverde pouchcellen — met name een gevouwen anodelipje en een gescheurde separator — in zeldzame gevallen tot kortsluiting en brand konden leiden. Deze zaak liet zien hoe belangrijk precisie in de productie van pouchcellen is: één microscopisch defect in een dun gestapeld laagje kan grote gevolgen hebben.

GM Ultium-platform (aangekondigd in 2020): General Motors ontwikkelde samen met LG Energy Solution, via het gezamenlijke bedrijf Ultium Cells, een nieuw batterijplatform op basis van grootformaat pouchcellen, bedoeld om over meerdere automodellen heen te worden hergebruikt.

Onderzoek naar vaste-stofbatterijen: in laboratoria wereldwijd worden nieuwe batterijchemieën, zoals vaste-stofbatterijen (die een vaste in plaats van vloeibare elektrolyt gebruiken), vaak eerst als pouchcel gebouwd. Dat komt doordat het stapelen van platte laagjes op kleine schaal relatief eenvoudig te testen en aan te passen is, voordat er wordt opgeschaald naar productierijpe vormen.

Hoe ver is de techniek?

De pouchcel zelf is geen nieuwe of experimentele technologie: het is een volwassen, wereldwijd toegepast formaat dat al decennia in consumentenelektronica wordt gebruikt en sinds de opkomst van elektrisch rijden ook steeds vaker in auto's. In die zin is de vraag "hoe ver is de techniek" minder relevant dan bij bijvoorbeeld kernfusie — pouchcellen worden nu al in miljoenen apparaten gebruikt.

Waar nog volop ontwikkeling plaatsvindt, is in de kwaliteit en betrouwbaarheid van de productie op grote schaal, vooral voor de automobielsector waar de eisen aan veiligheid en levensduur hoger liggen dan bij een telefoon. De Bolt-terugroepactie liet zien dat kleine productiefouten grote gevolgen kunnen hebben, en fabrikanten investeren sindsdien zwaar in nauwkeurigere fabricageprocessen en betere kwaliteitscontrole.

Daarnaast wordt gewerkt aan het beter beheersen van het zwelgedrag over de levensduur van de cel, aan verbeterde afdichtingstechnieken om vocht en lucht buiten te houden, en aan slimmere pakontwerpen die de mechanische ondersteuning combineren met koeling. Voor de langere termijn is de pouchcel ook het favoriete testformaat voor nieuwe chemieën zoals silicium-anodes (die meer energie kunnen opslaan dan de gangbare grafietanodes, maar sterker uitzetten tijdens het laden) en vaste-stofbatterijen. Of die nieuwe chemieën uiteindelijk in pouchvorm, cilindrische vorm of iets anders op de markt komen, is nog niet uitgekristalliseerd en verschilt per fabrikant.

Wie werken eraan?

De productie van pouchcellen wordt gedomineerd door een klein aantal grote, vooral Aziatische batterijfabrikanten. LG Energy Solution en Samsung SDI (beide Zuid-Korea) en SK On (eveneens Zuid-Korea) behoren tot de grootste leveranciers, onder meer aan Amerikaanse en Europese autofabrikanten. De Chinese batterijgigant CATL, 's werelds grootste batterijproducent, maakt zowel pouch- als prismatische cellen. Envision AESC, met wortels in Japan en banden met China, levert al sinds de Nissan Leaf pouchcellen voor de auto-industrie.

In Europa probeert de sector minder afhankelijk te worden van Aziatische producenten. Het Zweedse Northvolt, opgericht met de ambitie om Europese batterijproductie op te bouwen, bouwde een gigafabriek in Skellefteå, maar kampte de afgelopen jaren met ernstige financiële problemen, waaronder een aanvraag voor surseance van betaling in de Verenigde Staten eind 2024 — een voorbeeld van hoe moeilijk het is om als nieuwkomer op te boksen tegen gevestigde Aziatische spelers. In Frankrijk werkt ACC (Automotive Cells Company), een samenwerking tussen Stellantis, Mercedes-Benz en TotalEnergies, aan Europese batterijproductie, eveneens met pouchcellen als een van de formaten.

Op onderzoeksgebied dragen instituten zoals het Duitse Fraunhofer-instituut en diverse universiteiten bij aan verbeteringen in materialen, productieprocessen en veiligheid. Ook overheidsprogramma's, onder meer in de Verenigde Staten, de Europese Unie, Zuid-Korea en China, financieren onderzoek naar batterijtechnologie, vaak met de pouchcel als een van de geteste formaten voor nieuwe chemieën.

Verder lezen

• Battery University — toegankelijke uitleg over batterijtypes en -formaten, waaronder pouchcellen.
• International Energy Agency (IEA) — analyses en rapporten over de wereldwijde batterij- en elektrische-voertuigmarkt.
• U.S. Department of Energy — onderzoeksprogramma's en achtergrondinformatie over batterijtechnologie.
• National Renewable Energy Laboratory (NREL) — Amerikaans onderzoeksinstituut met publicaties over batterijmaterialen en -veiligheid.
• Fraunhofer-Gesellschaft — Duits onderzoeksnetwerk dat werkt aan batterijproductie en -materialen.