Inkjet-printed lithium-ion batteries

In this work, a thermal inkjet printing process has been studied and applied as a novel approach for the production of flexible lithium-ion batteries. In order to demonstrate the viability of this project, a textile-based substrate has been chosen for the realization of the final device, with the idea of a possible application in the sector of wearable electronics. At this end, two different materials has been used respectively as anode and cathode: a carbon black-sulfur composite (C@S) and a carbon-coated lithium iron phosphate (LFP/C); the first one synthetized following different preparation methods and with different carbon black-sulfur mass ratios, while the other one obtained through the carbonization at 700°C of a ball milled commercial lithium iron phosphate (LFP) powder mixed with polyvinyl alcohol (PVA). In order to inkjet-print these materials, several inks have been formulated as acqueous dispersions of these powders; the active material concentration has been studied through ICP analysis on the different formulations, while their printability has been determined by using a commercial photographic inkjet printer. Preliminary electrochemical analysis of the anodic and cathodic materials have been performed in half cell configurations for all the prepared inks, until reaching the best compromise between ink dispersion stability and electrochemical performance. With the goal of creating a fully-printed flexible battery on textile, a semi-solid membrane was selected as the best candidate for role of electrolyte in the final device, being prepared mixing ether-based liquid electrolytes with a small percentage of acrylate-based UV-curable binders. After that, a full coin cell configuration containing all the previously analyzed components has been tested before the realization of the final device, in order to analyze the behaviour of the different elements once combined. Finally, a complete battery has been printed on a textile substrate with an interdigitated architecture, printing the previously tested inks through the use of a flat-bed inkjet printer BREVA iJet2L, able to deposit several layers of material with a good resolution. The final device was able to show a good cyclability at low current over 50 cycles, demonstrating the viability of the inkjet printing technique for future applications in the lithium-ion battery sector.

Durante il corso di questo lavoro, una tecnica di stampa termica a getto d’inchiostro è stata applicata come metodo innovativo per la produzione di batterie flessibili a ioni litio. Al fine di dimostrare l’attuabilità del progetto, un materiale tessile è stato scelto come substrato per la realizzazione del dispositivo finale, con l’idea di una sua possibile applicazione nel settore dell’elettronica indossabile. A tal fine, due materiali diversi sono stati usati rispettivamente come anodo e catodo: un materiale composito a base di carbon black e zolfo (C@S) e del litio ferro fosfato rivestito da uno strato carbonioso (LFP/C); il primo è stato sintetizzato seguendo diversi metodi di preparazione e con diversi rapporti in massa tra carbon black e zolfo, mentre il secondo è stato ottenuto tramite la carbonizzazione a 700°C della polvere commerciale di litio ferro fosfato (LFP) mista ad alcool polivinilico (PVA). Al fine di stampare questi materiali, diversi inchiostri sono stati formulati come dispersioni acquose delle rispettive polveri; la concentrazione di materiale attivo presente nelle diverse formulazioni è stata studiata tramite un’analisi ICP, mentre la loro stampabilità è stata determinata tramite l’uso di una stampante fotografica commerciale. Delle analisi elettrochimiche preliminari sono state fatte sui materiali anodici e catodici tramite l’uso di semi-celle a bottone per tutti gli inchiostri preparati, fino ad ottenere il miglior compromesso tra stabilità dell’inchiostro e prestazioni elettrochimiche. Con l’obiettivo di creare una batteria flessibile, completamente stampata su tessuto, una membrana semi-solida è stata scelta come miglior candidato per il ruolo di elettrolita nel dispositivo finale ed è stata preparata mischiando un elettrolita liquido a base etere con una piccola quantità di materiale legante a base di triacrilato reticolabile UV. Successivamente, una cella a bottone contenente tutte le componenti precedentemente analizzate è stata testata prima della realizzazione del dispositivo finale, in modo da analizzare il comportamento dei diversi elementi una volta combinati. In fine, una batteria completa è stata stampata su tessuto con un’architettura interdigitata, stampando gli inchiostri precedentemente testati tramite l’uso di una stampante a getto d’inchiostro flat-bed, BREVA iJet2L, in grado di depositare diversi strati di materiale con una buona risoluzione. Il dispositivo finale è stato in grado di mostrate una buona ciclabilità a bassi valori di corrente per oltre 50 cicli, dimostrato l’applicabilità della tecnica di stampa a getto d’inchiostro per future applicazioni nel settore delle batterie a ioni litio.