Screen printing of lithium-ion batteries for flexible applications

In an increasingly technological and environmental-sensible world, the sustainable production of energy storage-conversion systems has become a hot topic from both industrial and social points of view. This work has tried to answer to this growing demand, in particular for what concerns wearable electronics. Lithium-ion batteries have many appealing features thanks to their optimal performances. Yet, materials and manufacturing processes, which are conventionally used for their production, are often costly and have high impacts on the environment. In this work, screen printing has been identified as an alternative, low-cost and sustainable production technique. Moreover, a careful study about anodic materials has been performed up to the synthesis of micro-composites of carbon and iron pyrite (FeS2) with excellent specific capacity. On the other side, LiFePO4 has been chosen as cathodic material, which has been properly optimised by means of a coating of conductive carbon. These materials have been used for the formulation of screen-printable inks. Particular attention has been devoted to the preparation of UV-curable gel electrolytes and conductive inks for printing of flexible current collectors. Finally, all these elements have been combined in a screen-printed battery on textile, which has been characterized both electrochemically and mechanically.

In un mondo sempre più tecnologico e smart, ma anche attento alla salvaguardia dell’ambiente, la produzione ecosostenibile di sistemi per l’accumulo e la generazione di energia è diventato un tema di grande interesse sia industriale che sociale. Questo lavoro si è posto l’obiettivo di venire incontro a questa crescente richiesta, in particolare nell’ambito dell’elettronica indossabile. Le batterie ricaricabili agli ioni litio hanno molte caratteristiche attraenti, grazie alle loro ottime prestazioni. Tuttavia, i materiali e le tecnologie con cui sono convenzionalmente prodotte sono spesso costosi e ad alto impatto ambientale. In questo lavoro, la stampa serigrafica è stata identificata come tecnologia alternativa ideale per una produzione a basso costo e sostenibile. Inoltre, uno studio attento sui materiali anodici è stato effettuato, arrivando alla sintesi di micro-compositi a base di carbonio e pirite (FeS2) con ottime capacità specifiche. Come materiale catodico si è invece optato per il LiFePO4, il quale è stato ottimizzato grazie ad un rivestimento di carbonio conduttivo. Tali materiali sono stati poi impiegati per la formulazione di inchiostri serigrafici. Particolare attenzione è stata inoltre dedicata alla preparazione di elettroliti gel foto-reticolabili e inchiostri conduttivi flessibili per la stampa dei collettori di corrente. Infine, tutti questi elementi sono stati combinati in una batteria stampata su tessuto, che è poi stata caratterizzata sia dal punto di vista elettrochimico, sia meccanico.