DECIDER – Dry electrodes for solid state batteries

• Research unit: SFOE
• Project number: SI/502669

Short description (German)

Um die Markteinführung von Festkörperbatterien zu beschleunigen, sind Materialien mit hoher Kapazität unerlässlich, die kostengünstig und mit Festelektrolyten kompatibel sind. Die Verarbeitung von Trockenbatterieelektroden (DBE) ermöglicht hohe Beladungen (> 3 mAh/cm²), eine geringe Umweltbelastung und niedrige Kosten. Ziel von DECIDER ist es, die Machbarkeit des Einsatzes von DBE mit hohen Beladungen in Li-Metall-Batterien mit flüssigen oder festen Elektrolyten zu untersuchen. In beiden Konfigurationen werden wir die Qualität der hergestellten DBE (Homogenität, mechanische Eigenschaften usw.) sowie deren Leistung auf Zellebene hinsichtlich Kapazität, Zyklenstabilität und Sicherheit bewerten.

Short description (English)

To accelerate the market adoption of solid-state batteries, high-capacity materials which are cost effective and compatible with solid electrolytes are essential. Dry battery electrode (DBE) processing enables to reach high loading (> 3 mAh/cm2), low enviromental profile and low cost. DECIDER aim is to investigate the feasibility of using DBE with high loadings in Li metal batteries with liquid or solid electrolytes. In both configurations, we will evaluate the quality of the prepared DBE (homogeneity, mechanical properties, etc.) and their performance at cell level in terms of capacity, cycling stability, and safety.

Short description (French)

Pour accélérer l'adoption commerciale des batteries à état solide, il est essentiel de disposer de matériaux à haute capacité, à la fois rentables et compatibles avec les électrolytes solides. Le procédé de fabrication des électrodes de batterie sèches (DBE) permet d'atteindre des charges élevées (> 3 mAh/cm²), tout en présentant un faible impact environnemental et un coût réduit. L'objectif de DECIDER est d'étudier la faisabilité de l'utilisation d'électrodes DBE à forte charge dans des batteries au lithium-métal équipées d'électrolytes liquides ou solides. Dans les deux configurations, nous évaluerons la qualité des électrodes DBE préparées (homogénéité, propriétés mécaniques, etc.) ainsi que leurs performances au niveau de la cellule en termes de capacité, de stabilité cyclique et de sécurité.

Final report (German)

Um die Markteinführung von Festkörperbatterien zu beschleunigen, ist die Entwicklung hochkapazitiver und kosteneffizienter Elektrodenmaterialien, die mit Festelektrolyten kompatibel sind, von entscheidender Bedeutung. Das DECIDER-Projekt untersuchte die Machbarkeit der Trockenelektrodenherstellung (Dry Battery Electrode, DBE) als Fertigungsansatz für hochbeladene Elektroden (> 4 mAh cm^-2) in Lithium-Metall-Batterien, sowohl für Systeme mit flüssigen Elektrolyten als auch für Festkörperelektrolyte. Die DBE-Technologie wurde aufgrund ihres Potenzials ausgewählt, die Umweltbelastung und die Herstellungskosten zu reduzieren und gleichzeitig hohe flächenbezogene Kapazitäten zu ermöglichen.

Im Rahmen des Projekts wurden trockengefertigte Kathoden erfolgreich hergestellt, entweder unter Verwendung eines reinen PTFE-Binders oder eines hybriden Bindersystems, das PTFE (Polytetrafluorethylen) mit einem biologisch abbaubaren Polymer kombiniert. Parallel dazu wurden dünne Lithium-Metall-Anoden (25 µm) in-house mittels thermischer Verdampfung hergestellt. Diese Komponenten wurden anschließend sowohl in Knopfzellen als auch in einlagige Pouch-Zellen integriert, die erfolgreich assembliert und elektrochemisch charakterisiert wurden.

Die elektrochemischen Tests zeigten Einschränkungen hinsichtlich der Zyklenstabilität. Diese wurden hauptsächlich auf die schlechte Kompatibilität der PTFE-basierten Kathoden mit karbonatbasierten flüssigen Elektrolyten zurückgeführt, was zu einer unzureichenden Benetzung der Elektroden führte, sowie auf die hohe chemische Reaktivität von Lithium-Metall gegenüber dieser Elektrolytklasse. Der Einsatz eines etherbasierten Elektrolyten verbesserte die Benetzbarkeit der Kathoden; jedoch begrenzte dessen eingeschränkte oxidative Stabilität bei hohen Betriebsspannungen die langfristige Zyklenfähigkeit. Zusätzlich wurden die trockengefertigten Kathoden gegenüber Lithium-Metall-Anoden unter Verwendung von gelpolymeren Elektrolyten (GPEs), die in-house entwickelt und hergestellt wurden, getestet. Dabei wurde bei niedriger Stromdichte (0,1C) eine akzeptable und vielversprechende Zyklenleistung erzielt, mit mehr als 100 Lade-/Entladezyklen.

Insgesamt zeigten die Ergebnisse die technische Machbarkeit des DBE-Verfahrens für hochbeladene Elektroden in Lithium-Metall-Batteriekonfigurationen auf, während gleichzeitig kritische Herausforderungen im Zusammenhang mit Grenzflächen und Elektrolyten identifiziert wurden. Eine weitere Optimierung der Elektrolytformulierungen sowie der Beschichtungsstrategien für Lithium-Metall ist erforderlich. Die Aktivitäten im Anschluss an das DECIDER-Projekt werden fortgesetzt, um diese Herausforderungen gezielt anzugehen, mit dem Ziel, die Zyklenstabilität und Robustheit hochbeladener, trockengefertigter Kathoden in Kombination mit dünnen Lithium-Metall-Anoden unter Verwendung von flüssigen oder gelpolymeren Elektrolyten weiter zu verbessern.

Final report (English)

To accelerate the market adoption of solid-state batteries, the development of high-capacity and cost-effective electrode materials compatible with solid electrolytes is crucial. The DECIDER project investigated the feasibility of dry battery electrode (DBE) processing as a manufacturing approach for high-loading electrodes (> 4 mAh cm^-2) in lithium metal batteries, targeting both liquid and solid-state electrolyte systems. DBE technology was selected for its potential to reduce environmental impact and manufacturing costs while enabling high areal capacities.

Within the project, dry-processed cathodes were successfully fabricated using either a pure PTFE (Polytetrafluorethylen) binder or a hybrid binder system combining PTFE with a biodegradable polymer. In parallel, thin lithium metal anodes (25 µm) were produced in-house using a thermal evaporation technique. These components were subsequently integrated into both coin cells and monolayer pouch cells, which were successfully assembled and electrochemically assessed.

Electrochemical testing revealed limitations in cycling stability. These issues were primarily attributed to the poor compatibility of PTFE-based cathodes with carbonate-based liquid electrolytes, resulting in insufficient electrode wettability, as well as to the high chemical reactivity of lithium metal with this class of electrolytes. The use of an ether-based electrolyte led to improved cathode wettability; however, its limited oxidative stability at high operating voltages restricted long-term cyclability. In addition, dry-processed cathodes were tested against lithium metal anodes using gel polymer electrolytes (GPEs) developed and prepared in-house, for which acceptable and encouraging cycling performance was achieved at slow current rate (0.1C), exceeding 100 cycles.

Overall, the results demonstrated the technical feasibility of DBE processing for high-loading electrodes in lithium metal battery configurations, while highlighting critical interfacial and electrolyte-related challenges. Further optimization of electrolyte formulations and lithium metal coating strategies is required. Post-DECIDER project activities are continuing to address these aspects, with the objective of further improving the cyclability and robustness of high-loading, dry-processed cathodes paired with thin lithium metal anodes using either liquid or gel polymer electrolytes.

Related documents

• Final Report [PDF] 12'121 kB

Final report (French)

Afin d’accélérer l’adoption sur le marché des batteries tout solide, le développement de matériaux d’électrodes à haute capacité, économiquement viables et compatibles avec les électrolytes solides est crucial. Le projet DECIDER a étudié la faisabilité du procédé de fabrication des électrodes de batterie par voie séche (dry battery electrode, DBE) en tant qu’approche de fabrication pour des électrodes à haute capacité (> 4 mAh cm^-2) dans des batteries au lithium métal, ciblant à la fois des systèmes à électrolyte liquide et tout solide. La technologie DBE a été retenue pour son potentiel à réduire l’impact environnemental et les coûts de fabrication, tout en permettant d’atteindre des capacités surfaciques élevées.

Dans le cadre du projet, des cathodes produites par voie sèche ont été fabriquées avec succès en utilisant, soit un liant PTFE pur, soit un système de liant hybride combinant le PTFE (Polytetrafluorethylen) à un polymère biodégradable. En parallèle, des anodes fines en lithium métal (25 µm) ont été produites en interne à l’aide d’une technique d’évaporation thermale. Ces composants ont ensuite été intégrés dans des cellules type pile-bouton ainsi que dans des cellules type cellule poche, qui ont été assemblées et évaluées électrochimiquement avec succès.

Les essais électrochimiques ont mis en évidence certaines limitations en termes de stabilité au cours du cyclage. Celles-ci ont été principalement attribuées à la faible compatibilité des cathodes à base de PTFE avec les électrolytes liquides à base de solvants carbonates, entraînant une mouillabilité insuffisante des électrodes, ainsi qu’à la forte réactivité chimique du lithium métal avec cette famille d’électrolytes. L’utilisation d’un électrolyte à base d’éthers a permis d’améliorer leurmouillabilité à la surface des cathodes. Toutefois, sa stabilité oxydative limitée a restreint la cyclabilité à long terme, en particulier à des voltages supérieurs à 4.2V. Par ailleurs, les cathodes fabriquées par voie sèche  ont été testées face à des anodes en lithium métal en utilisant des électrolytes polymères gélifiés (GPEs) développés et préparés en interne, pour lesquels des performances de cyclage acceptables et encourageantes ont été obtenues à faible régime de courant (0.1C), dépassant 100 cycles.

Généralement, les résultats ont démontré la faisabilité technique du procédé DBE pour des électrodes à haute capacité dans des configurations de batteries au lithium métal, tout en mettant en évidence des points critiques principalement liés aux interfaces et aux électrolytes. Une optimisation supplémentaire des formulations d’électrolytes et des stratégies de dépôt des revêtements afin d’optimiser l’interface avec le lithium métal est nécessaire. Les activités à la suite du projet DECIDER se poursuivent afin de lever ces verrous, avec l’objectif d’améliorer davantage la cyclabilité, et la stabilité des cathodes à haute capacité préparées par voie sèche, associées à des anodes fines en lithium métal, en utilisant des électrolytes liquides et polymères gélifiés.