Unlocking the potential of sustainable and solvent-free fabrication of electrodes for Li-ion battery cells

Hovedmålet i UltraDry er å gjøre fremtidens produksjon av litiumionbatterier (LIB) mer bærekraftig. De siste tiårene har sett en enorm økning i bruken av LIB, og behovet videre er forventet å øke drastisk på grunn av batterienes nøkkelrolle i det grønne skiftet. I takt med økt etterspørsel øker også behovet for å gjøre batteriproduksjonen mer bærekraftig. UltraDry har fokus på to nøkkeltemaer som kan bidra til dette: tørrprosessering av batterielektroder og redusering av fluorinnholdet i batteriet. LIB-elektroder lages i dag ved å blande batterimaterialene i et løsemiddel til en våt masse som legges på en metallfolie, for så å tørke elektroden slik at løsemiddelet forsvinner. Tørkeprosessen er veldig energikrevende og utgjør over 30% av den totale energien i batteriproduksjonen. I tillegg er løsemidlet som ofte brukes til katoden giftig, noe som gir betydelige HMS-utfordringer og økte kostnader. Som et alternativ til dette har tørrprosessering av batterielektroder, helt uten bruk av løsemidler, blitt løftet fram som en mer bærekraftig fabrikasjonsmåte. Tørrprosessering er potensielt energi- og kostnadsbesparende og kan lage tykkere elektroder med høyere energitetthet, men mange utfordringer må løses før slike prosesser kan tas i bruk industrielt. I UltraDry ønsker vi å fylle flere av kunnskapshullene som gjenstår for å realisere tørrprosessering av batterier i industriell skala. I tillegg til utfordringene med løsemidler i produksjonen av LIB, så inneholder dagens batterier Li-salter med mye fluor i elektrolytten, typisk LiPF6. De fluorrike saltene er ofte dyre, giftige, følsomme for fuktighet, og kan bidra til å utvikle svært skadelig HF-gass inni batteriet. I UltraDry vil vi utvikle nye salter med mindre eller helt uten fluor for å gjøre batteriene mer bærekraftig og resirkuleringen av batteriene lettere. UltraDry er et europeisk m-era.net samarbeidsprosjekt. SINTEF er koordinator og FREYR, IREC (Spania) og Warsaw University of Technology (Polen) er partnere.

The overall goal of ULTRADRY is to improve the sustainability of battery production. This will be achieved by developing fundamental understanding about of dry processing of Li-ion battery (LIB) electrodes and reducing the F-content in the binder and electrolyte. The conventional way of preparing battery electrodes is by wet slurry casting, where the electrode materials are mixed in a solvent and cast on the current collector. The drying of this wet slurry is energy consuming and complex, and harmful solvents like N-methylpyrrolidone (NMP) are often used for cathodes, causing HSE concerns. Studies have shown that the wet slurry casting, drying and solvent recovery processes account for approximately half of the energy needed for battery production. Dry processing has the potential to overcome many of the limitations of wet-slurry casting, but several needs must still be addressed. ULTRADRY will contribute to this by combining several complementary activities, ranging from fundamental to applied, directly linked to improving sustainability. This includes: 1) Developing the fundamental knowledge about binder fibrillation mechanisms, which is lacking in the scientific literature. 2) Investigate the interlink between the process parameters during the different dry process steps, the achieved microstructure of the electrodes, and their mechanical and electrochemical performance. 3) Improve the sustainability of the battery electrolyte by developing new Li-salts as potential substitutes for the state-of-the-art LiPF6. 4) The most promising results, materials and components from these aforementioned activities will be assembled, tested and benchmarked against conventional batteries. This will be performed on a lab-scale, and with demonstration in a pilot line at the final year of ULTRADRY. 5) LCA, sustainability and techno-economic analyses is included as an integral part of ULTRADRY.