Exploring key processing parameters for lithium metal anodes with sulfide solid electrolytes and nickel-rich NMC cathodes in solid-state batteries

Publikation: Beitrag in FachzeitschriftForschungsartikelBeigetragenBegutachtung

Beitragende

  • Maria Rosner - , Professur für Anorganische Chemie (I) (AC1), Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (Autor:in)
  • Karsten Mehr - , Professur für Anorganische Chemie (I) (AC1), Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (Autor:in)
  • Stephanie Mörseburg - , Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (Autor:in)
  • Sahin Cangaz - , Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (Autor:in)
  • Felix Hippauf - , Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (Autor:in)
  • Sebastian L. Benz - , Justus-Liebig-Universität Gießen (Autor:in)
  • Susanne Dörfler - , Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (Autor:in)
  • Thomas Abendroth - , Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (Autor:in)
  • Holger Althues - , Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (Autor:in)
  • Jürgen Janek - , Justus-Liebig-Universität Gießen (Autor:in)
  • Stefan Kaskel - , Professur für Anorganische Chemie (I) (AC1), Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (Autor:in)

Abstract

The integration of lithium metal anodes (LMAs) into solid-state batteries (SSBs) offers a promising route toward significantly increased energy densities. However, the mechanical and electrochemical instability of the Li|solid electrolyte (SE) interface remains a major challenge for practical long-term cycling stability. This study systematically examines key parameters affecting the interface formation, including contact pressure, holding time, and the microstructure of the sulfide-based SE using electron microscopy and electrochemical impedance spectroscopy (EIS). To enable the use of thin electrolyte layers in larger cell formats, the SE is fabricated using a scalable slurry-based process with hydrogenated nitrile butadiene rubber (HNBR) binder. Long-term cycling over 300 cycles with a coulombic efficiency (CE) exceeding 99.5% is demonstrated in application-oriented pouch cells with a LMA and a nickel manganese cobalt oxide (NMC) cathode. The cells are assembled with a precompressed SE film with a thickness of 230 μm and a high-pressure compression step of 360 MPa. Applying the adapted pressurization method enables stable cycling performance with thin SE layers (90 μm thickness). The presented findings identify critical parameters for LMA-based SSB with thin sulfide SE layers and provide practical guidelines for the processing and assembly of lithium metal–based solid state prototype pouch cells.

Details

OriginalspracheEnglisch
Aufsatznummer176023
FachzeitschriftChemical engineering journal
Jahrgang536
PublikationsstatusVeröffentlicht - 15 Mai 2026
Peer-Review-StatusJa

Schlagworte

Schlagwörter

  • All-solid-state batteries, Impedance spectroscopy, LiPSCl, Lithium metal anode, Sulfide electrolytes