Design and development of wire shaped lithium ion batteries

Among the various existing battery technologies, wire-shaped lithium-ion batteries are gaining interest because of their ease and low cost of production, high energy and power density, light weight and mechanical strength together with high electrical conductivity makes them attractive for applications for wearable technologies such as portable and flexible storage devices. Structure of the wire-shaped batteries is similar with the traditional ones but it allows us to produce high flexibility, stability and elastic fiber that can be doped with different active materials to improve its performance both the mechanical stability and ionic conductivity. Recently, high conductive fibers have been attracted by wearable and flexible electronics manufacturers because of their superior properties which are high conductivity, good thermal stability, easy process ability and their mechanical strength. In order to obtain this properties in material, (PEDOT:PSS) Poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(4-styrenesulfonate)has been attracted because of their process ability of water, thermal stability, conductivity and mechanical strength as mentioned above which demands of today’s technology and wearable and flexible devices. Furthermore, the more removal amount of PSS from PEDOT, the more conductivity obtained at the end. Most used areas of PEDOT: PSS are electrical storage devices, humidity sensors, solar cells and wearable and flexible electronics. Since PEDOT: PSS is not resistant much about mechanical effects; Production of coaxial fiber structure was found more promising solution to overcome this problem. However, carbons are highly attractive because of low cost, relatively low volume change during lithiation/ delithiation and delithiation potential. Also it has high availability, electrical conductivity and medium energy, power density and cycle life rather than other type of anode materials. The problem for the carbon-based materials are their low capacitive performance in order to improve that some other carbon forms have been studied and different materials are doped into carbon-based materials such as Sulphur which has higher specific capacity as mentioned before. As a first starter, carbon nanotube are highly conductive which allows improved electronic transportation [80].Secondly, it had been demonstrated that graphene-based anode electrode has high reversible capacity (780mAh/g) and tremendously improvement in conductivity [81, 82]. In this project, using carbon-sulphur powder as an active material in the anode is promising solution to have both desired electrical conductivity and high specific capacity (1675mAh/g). In this study, specific kind of sol-gel electrolyte which will be explained in the experimental section is used for obtaining these properties as expected [83, 84]. Secondly, using LiFePO4 as cathode material, increase the stability of cyclic behaviour with the helping of sol-gel electrolyte and balanced the overall performance of lithium-ion battery. At the end, some characterization tests were done such as SEM, mechanical strength and electrical conductivity measurement, cyclic voltammetry and charge/discharge tests to demonstrate that having a coaxial fiber which has polymer matrix inside and novel materials with conductive polymer surroundings of it is promising solution to obtain these kind of expectations which will be mentioned below from wire-shaped lithium-ion batteries. Also it is demonstrated that battery capacity perforamances are increased by increasing the current collector conductivity or using active material with high specific capacity.

Tra le varie tecnologie di batterie esistenti, le batterie agli ioni di litio a forma di filo stanno guadagnando interesse a causa della loro facilità e basso costo di produzione, elevata energia e densità di potenza, leggerezza e resistenza meccanica insieme ad alta conducibilità elettrica le rendono attraenti per le applicazioni da indossare tecnologie come dispositivi di archiviazione portatili e flessibili. La struttura delle batterie a forma di filo è simile a quelle tradizionali ma ci consente di produrre alta flessibilità, stabilità e fibra elastica che possono essere drogate con diversi materiali attivi per migliorare le sue prestazioni sia la stabilità meccanica che la conducibilità ionica. Di recente, i produttori di componenti elettronici indossabili e flessibili hanno attratto fibre altamente conduttive a causa delle loro proprietà superiori che sono alta conduttività, buona stabilità termica, facilità di processo e resistenza meccanica. Al fine di ottenere queste proprietà nei materiali, il poli (3,4-etilendioxythiophene): poly (4-stirenesulfonate) (PEDOT: PSS) è stato attratto a causa della loro capacità di processo di acqua, stabilità termica, conducibilità e resistenza meccanica come menzionato sopra che richiede tecnologia odierna e dispositivi indossabili e flessibili. Inoltre, maggiore è la quantità di rimozione di PSS da PEDOT, maggiore è la conduttività ottenuta alla fine. Le aree più utilizzate di PEDOT: PSS sono dispositivi di accumulo elettrico, sensori di umidità, celle solari ed elettronica indossabile e flessibile. Dal momento che il PEDOT: PSS non resiste molto agli effetti meccanici; La produzione della struttura in fibra coassiale è stata trovata una soluzione più promettente per superare questo problema. Tuttavia, i carboni sono molto interessanti a causa della variazione di volume relativamente bassa e relativamente bassa durante il potenziale di litiazione / delithiation e delithiation. Inoltre ha alta disponibilità, conducibilità elettrica e media energia, densità di potenza e durata del ciclo piuttosto che altri tipi di materiali anodici. Il problema per i materiali a base di carbonio sono le loro basse prestazioni capacitive al fine di migliorare il fatto che alcune altre forme di carbonio siano state studiate e che diversi materiali siano drogati in materiali a base di carbonio come lo zolfo che ha una capacità specifica più elevata come menzionato prima. Come primo avviatore, i nanotubi di carbonio sono altamente conduttivi, il che consente un migliore trasporto elettronico [80]. In secondo luogo, è stato dimostrato che l'elettrodo anodico a base di grafene ha un'elevata capacità reversibile (780 mAh / g) e un enorme miglioramento della conduttività [81, 82] . In questo progetto, l'uso della polvere di zolfo e carbonio come materiale attivo nell'anodo è una soluzione promettente per avere sia la conducibilità elettrica desiderata sia un'elevata capacità specifica(1675 mAh/g). In questo studio, viene utilizzato un tipo specifico di elettrolita sol-gel che verrà spiegato nella sezione sperimentale per ottenere queste proprietà come previsto [83, 84]. In secondo luogo, usando LiFePO4 come materiale catodico, aumenta la stabilità del comportamento ciclico con l'aiuto dell'elettrolita sol-gel e bilanciando le prestazioni complessive della batteria agli ioni di litio. Alla fine, sono stati condotti alcuni test di caratterizzazione come SEM, misurazione della resistenza meccanica e della conducibilità elettrica, voltammetria ciclica e test di carica / scarica per dimostrare che avere una fibra coassiale che ha una matrice polimerica all'interno e nuovi materiali con un ambiente polimerico conduttivo è promettente soluzione per ottenere questo tipo di aspettative che saranno menzionate di seguito dalle batterie agli ioni di litio a forma di filo. Inoltre è dimostrato che le prestazioni della batteria vengono aumentate aumentando la conduttività del collettore attuale o utilizzando materiale attivo con elevata capacità specifica.