SI/502669

Schlussbericht

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.