AFREESSB – Anodenfreie Festkörperbatterien: Von Dünnfilm bis Bulk

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/502460
• Projekttitel Englisch: AFREESSB – Anode-free all-solid-state batteries: From thin film to bulk

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Ziel des Projekts ist die Entwicklung von Festkörperbatterien mit einer Leistungsdichte von mehr als 1000 W/L und einer Energiedichte von mehr als 800 Wh/L, kombiniert mit schneller Auf- und Entladung, tiefen Entladezyklen, langer Lebensdauer und sicherem Betrieb in einem breiten Temperaturbereich. Potenzielle Anwendungen für diese Batterien sind High-End- und mobile Anwendungen wie Drohnen, Roboter, Luft- und Raumfahrt und urbane Mobilität.

Kurzbeschreibung (Englisch)

The project aims to develop solid-state batteries (SSBs) with power densities >1000 W/L and energy densities >800 Wh/L, combined with fast charging and discharging, deep discharge cycles, long cycle life, and safe operation in a wide temperature range. Potential applications for these batteries include high-end and mobile applications such as drones, robots, aerospace, and urban mobility.

Kurzbeschreibung (Französisch)

Le projet vise à développer des batteries à l'état solide (SSB) avec des densités de puissance >1000 W/L et des densités d'énergie >800 Wh/L, combinées à une charge et une décharge rapides, des cycles de décharge profonds, une longue durée de vie et un fonctionnement sûr dans une large gamme de températures. Les applications potentielles de ces batteries comprennent des applications haut de gamme et mobiles telles que les drones, les robots, l'aérospatiale et la mobilité urbaine.

Publikationen / Ergebnisse (Deutsch)

Eine gute Batterie hat eine hohe Energiedichte und kurze Ladezeiten, ist sicher im Betrieb und hält extremen Temperaturen stand. Festkörperbatterien sind eine neue Generation von Lithium-Ionen-Batterien, die ohne flüssige Komponenten auskommen und viele dieser Eigenschaften in sich vereinen. Ein internationales Forschungskonsortium mit Beteiligung der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt Empa arbeitet an der Entwicklung anoden-freier Festkörperbatterien in Kombination mit Dünnfilmtechnologie. Mögliche Anwendungsfelder sind der industrielle Internet-of-Things-Sektor, mit zusätzlichen potenziellen Anwendungen in mobilen Bereichen wie Drohnen, Robotik, Luft- und Raumfahrt.

Zugehörige Dokumente

• Fachartikel_B. Vogel [PDF] 1'697 kB

Publikationen / Ergebnisse (Englisch)

A good battery has high energy density, short charging times, is safe to operate, and can withstand extreme temperatures. Solid-state batteries are a new generation of lithium-ion batteries that do not require liquid components and combine many of these properties. An international research consortium, including the Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology, or Empa, is working on the development of anode-free solid-state batteries in combination with thin-film technology. Potential application areas include the industrial Internet of Things sector, with additional potential uses in mobile areas such as drones, robotics, and aerospace.

Zugehörige Dokumente

• Specialised article_B. Vogel [PDF] 1'697 kB

Schlussbericht (Deutsch)

Das Projekt AfreeSSB hatte zum Ziel, anodenfreie Festkörperbatterien (SSBs) mit hoher Leistungs- und Energiedichte durch die Kombination von Dünnschicht- und Volumentechnologien zu entwickeln. Das Projekt war Teil der europäischen M-ERA.NET-Kooperation, die aus drei nationalen Teilprojekten bestand: Schweiz (Empa, Fluxim), Deutschland (FZ Jülich, Aixtron) und Spanien (IREC, AEInnova). In den zwei Jahren des Projekts wurden bedeutende Fortschritte erzielt, insbesondere:

• Dünnschichtbatterien: Entwicklung anodenfreier Dünnschicht-SSBs mit NMC811-Kathoden mit Flächenkapazitäten von über 50 µAh/cm² und Spitzenströmen von bis zu 60 mA, die die Leistungsanforderungen für Anwendungen wie industrielle IoT-Geräte (Internet der Dinge) erfüllen.
• Bulk-Verbundkathoden: Optimierung von LCO-Verbundkathoden mit einer Oberflächenrauheit von unter 5 µm für eine stabile Integration mit Dünnschichtseparatoren, was zu Kathoden mit einer stabilen Leerlaufspannung führt.
• Operando-Charakterisierung: Etablierung neuer Methoden zur Echtzeitüberwachung des Materialverhaltens während des Batteriebetriebs. SE analysierte optische Absorptionsänderungen in Abhängigkeit vom Ladezustand, während Tip-Enhanced Raman Spectroscopy (TERS) die Korngrenzdynamik während der Lithiierung aufzeigte.
• Gerätetests: Entwicklung eines Batterietestaufbaus mit Temperaturregelung (5–90 °C) und Lade-/Entladefunktion. Zur Steuerung der Energiespeicherung für industrielle IoT-Anwendungen wurde eine Leistungselektronik mit Maximum Power Point Tracking (MPPT) entwickelt.

Das AfreeSSB-Projekt hat das Potenzial von anodenfreien SSBs für Anwendungen mit hoher Energiedichte aufgezeigt. Dünnschichtbatterien sind vielversprechend für IoT- und mobile Anwendungen, allerdings sind weitere Kapazitätsverbesserungen erforderlich. Das Konzept der Volumenkathode in Kombination mit einem dünnen Festelektrolytseparator erfordert weitere Arbeiten, um die Skalierbarkeit und Zyklenstabilität zu verbessern. Die fortschrittlichen Operando-Charakterisierungsmethoden bieten wertvolle Werkzeuge für die zukünftige Batterieforschung. Insgesamt hat das Projekt die Grundlagen für die zukünftige Entwicklung und potenzielle industrielle Anwendungen der SSB-Technologie gelegt. Die Innovationen werden voraussichtlich weitere Forschungen und kommerzielle Anwendungen im Bereich der Energiespeicherung vorantreiben.

 

Zugehörige Dokumente

• Fachartikel "Batterien, reduziert auf das Wesentliche" [PDF] 1'697 kB

Schlussbericht (Englisch)

The AfreeSSB project aimed to develop anode-free solid-state batteries (SSBs) with high power and energy densities by combining thin-film and bulk technologies. The project was part of the European M-ERA.NET collaboration consisting of three national sub-projects: Swiss (Empa, Fluxim), German (FZ Jülich, Aixtron) and Spanish (IREC, AEInnova). Significant progress was achieved over the two-year project, and specifically:

• Thin-film batteries: Developed anode-free thin-film SSBs using NMC811 cathodes with areal capacities exceeding 50 µAh/cm² and peak currents up to 60 mA, meeting power require-ments for applications like industrial Internet of Things (IoT) devices.
• Bulk composite cathodes: Optimized LCO composite cathodes with surface roughness below 5 µm for stable integration with thin-film separators, resulting in cathodes with a stable open-circuit voltage.
• Operando characterization: Established new methods for real-time monitoring of material be-haviour during battery operation. SE analyzed optical absorption changes related to the state of charge, while Tip-Enhanced Raman Spectroscopy (TERS) revealed grain boundary dynam-ics during lithiation.
• Device testing: Developed a battery testing setup with temperature control (5–90 °C) and charge/discharge capabilities. Power electronics with Maximum Power Point Tracking (MPPT) were created to manage energy storage for industrial IoT applications.

The AfreeSSB project demonstrated the potential of anode-free SSBs for high-energy-density applications. Thin-film batteries showed promise for IoT and mobile applications, although further capacity improvements are needed. The concept of the bulk cathode combined with a thin solid electrolyte separator requires additional work to address scalability and cycling stability. The advanced operando characterization methods offer valuable tools for future battery research. Overall, the project laid the groundwork for future development and potential industrial applications of SSB technology. The inno-vations are expected to drive further research and commercial applications in the energy storage field.

 

Zugehörige Dokumente

• Article "Batteries reduced to the essentials" [PDF] 1'697 kB
• FInal Report [PDF] 1'153 kB

Schlussbericht (Französisch)

Le projet AfreeSSB visait à développer des batteries à l'état solide (SSB) sans anode, à haute puissance et haute densité énergétique, en combinant des technologies à couche mince et à volume. Le projet s'inscrivait dans le cadre de la collaboration européenne M-ERA.NET, qui comprenait trois sous-projets nationaux : suisse (Empa, Fluxim), allemand (FZ Jülich, Aixtron) et espagnol (IREC, AEInnova). Des progrès significatifs ont été réalisés au cours des deux années du projet, notamment :

• Batteries à couche mince : développement de SSB à couche mince sans anode utilisant des cathodes NMC811 avec des capacités surfaciques supérieures à 50 µAh/cm² et des courants de pointe pouvant atteindre 60 mA, répondant ainsi aux exigences de puissance pour des applications telles que les appareils industriels connectés à l'Internet des objets (IoT).
• Cathodes composites en vrac : optimisation des cathodes composites LCO avec une rugosité de surface inférieure à 5 µm pour une intégration stable avec des séparateurs à couche mince, ce qui permet d'obtenir des cathodes avec une tension en circuit ouvert stable.
• Caractérisation operando : mise en place de nouvelles méthodes de surveillance en temps réel du comportement des matériaux pendant le fonctionnement des batteries. La SE a analysé les changements d'absorption optique liés à l'état de charge, tandis que Tip-Enhanced Raman Spectroscopy (TERS)  a révélé la dynamique des joints de grains pendant la lithiation.
• Test des dispositifs : mise au point d'un dispositif de test de batteries avec contrôle de la température (5 à 90 °C) et capacités de charge/décharge. Des composants électroniques de puissance avec suivi du point de puissance maximale (MPPT) ont été créés pour gérer le stockage d'énergie pour les applications IoT industrielles.

Le projet AfreeSSB a démontré le potentiel des SSB sans anode pour les applications à haute densité énergétique. Les batteries à couche mince se sont révélées prometteuses pour les applications IoT et mobiles, même si des améliorations de capacité sont encore nécessaires. Le concept de cathode massive combinée à un séparateur électrolytique solide mince nécessite des travaux supplémentaires pour résoudre les problèmes de scalabilité et de stabilité cyclique. Les méthodes avancées de caractérisation operando offrent des outils précieux pour la recherche future sur les batteries. Dans l'ensemble, le projet a jeté les bases du développement futur et des applications industrielles potentielles de la technologie SSB. Ces innovations devraient stimuler la recherche et les applications commerciales dans le domaine du stockage d'énergie.