Das Projekt untersuchte die Möglichkeit, die herkömmliche nicht verdampfbare Elektrolytpaste (NEP), die in den Mikrozellen von VARTA Microbattery verwendet wird, durch eine alkalische Paste auf Wasserbasis zu ersetzen, die Zusätze zur Verbesserung der Rheologie und Haftung enthält. Bei Belastungstests bis zu 3 C lieferte die NEP-Referenz eine höhere Kapazität als die wasserbasierte Formulierung, aber bei höheren Raten über 3 C schnitt die wasserbasierte Paste besser ab. Die Zugabe der Additive änderte nichts an der Kapazität der Wasserpaste, was darauf hindeutet, dass die Hauptbeschränkung in der Elektrodenhaftung und nicht in der Pastenzusammensetzung selbst lag. Die Zusätze machten die Paste jedoch unabhängig von der Scherrate, verhinderten die Bildung von Lochfraß und Hohlräumen auf der Oberfläche und sorgten für eine gleichmäßige Beschichtung. Die Zyklusleistung der wasserbasierten Elektroden entsprach der der NEP-Referenz, obwohl die Haftung am NEP-System geringer war und nur mit der Anode vergleichbar. Folglich war die Leistung der wasserbasierten Zellen im Lasttest etwas geringer. Um die geringere Haftung auszugleichen, empfahl das Entwicklungsteam eine Überdimensionierung der Anode um 15 %.
Die Studie ging über zu Zelltests mit Elektroden der Generation 1 im CoinPower CP1254-Format. Die von ZWS gelieferten Elektroden wurden auf Breite geschnitten, mit einem 16 µm dicken Polyolefin-Separator gewickelt und in einem trockenen Raum montiert. Die Formations- und Leistungstests wurden bei Lade-/Entladeraten von 0,5 C/0,2 C und 1 C/1 C durchgeführt, mit Entladeschlussspannungen von 3 V und 2,7 V. Die Lasttestdaten zeigten, dass eine Verringerung der Entladeschlussspannung von 3 V auf 2,7 V den spezifischen Kapazitätsvorteil erhöhte, und zwar von 1,7 % bei 0,1 C auf 7,9 % bei 3 C. Im Vergleich zu den Pouch-Zellen der Generation 0 zeigte die Generation 1 eine vergleichbare Leistung bei niedrigen Raten, aber eine bessere Kapazitätserhaltung bei höheren Raten.
In Experimenten mit Lösungsmitteln wurden Elektroden auf Wasserbasis und auf Basis organischer Lösungsmittel sowohl für die Anode als auch für die Kathode verglichen. In der ersten Testreihe erreichte die Zelle mit organischem Lösungsmittel eine Anfangskapazität von etwa 51 mAh gegenüber 46 mAh bei der Zelle auf Wasserbasis, was einer Verbesserung von 10 % entspricht. Nach 500 Zyklen bei 1 C/1 C behielt die organische Zelle 88,4 % ihrer Kapazität, während die Zelle auf Wasserbasis 82,8 % behielt. Bei 60 °C sank der Kapazitätsvorteil der organischen Zelle auf etwa 4 %. Ein anschließender Lagertest bei 60 °C, gefolgt von einem Zyklus bei Raumtemperatur, bestätigte eine etwa 20 % höhere Anfangskapazität für die organische Zelle. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Wahl des Lösungsmittels einen erheblichen Einfluss sowohl auf die anfängliche Leistung als auch auf die langfristige Zyklenlebensdauer hat.
Die Daten zur Zyklenlebensdauer für die Zellen der Generation 1 zeigten eine Anfangskapazität von etwa 45 mAh, unabhängig von der Entladeschlussspannung. Bei einer Spannung von 3 V behielten die Zellen nach 1.100 Zyklen 80 % ihrer Kapazität, bei 2,7 V waren es nach 1.500 Zyklen noch 70 %. Bei einigen Zellen kam es zu einem vorzeitigen Kapazitätsverlust, so dass Post-Mortem-Untersuchungen durchgeführt wurden, um die Ausfallmechanismen zu identifizieren.
Das Projekt wurde im Rahmen des Programms Oekobat-2020 finanziert und in Zusammenarbeit zwischen VARTA Microbattery, ZWS (ZSW) und Freudenberg durchgeführt. Die Forschung umfasste die Entwicklung der wasserbasierten Paste, die Herstellung der Elektroden, den Zusammenbau der Zellen und umfangreiche elektrochemische Tests, die in einer umfassenden Bewertung der Eignung von wasserbasierten Elektrolyten für Mikrobatterieanwendungen gipfelten.