Development and characterization of the ionic liquid doped PEDOT:PSS films for battery application

The altogether rise in new technological solutions, especially in terms of digitalization, electrical appliances, electronics, wireless technologies and similar is undeniable. Consequently, new opportunities for advanced application have arisen in a variety of branches. One example of these are medical devices, such as sensors, implants, drug delivery systems, etc. These advancements represent a result of the ever-growing need for new solutions for power supply. In this work, the possibility of using PEDOT:PSS thin and thick films as a cathode in a power storage device was explored. On top of that, it was characterized how film formulation influences its conductive ability, while an alternative application for the created battery is proposed. The research activities were divided into 4 stages. In the first stage it was considered doing Scanning Electron Microscopy (SEM), Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS or EDX), Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) and Four-probe resistivity characterization of the thin and thick PEDOT:PSS films with two different compositions – with and without addition of copper(II)-chloride as a source of a multivalent cation. The key component making creation of films feasible was 1-butyl-3-methylimidazolium octyl sulfate ionic liquid, which had a role of a plasticizer and conductivity enhancer. The second step was to design a suitable battery system and test the best performing films from the first stage as a cathode of the newly formed battery. To do that, series of discharge tests were done, from which the battery discharge time, capacity, power and energy were determined. The third stage was to establish the working principle of the made battery by analyzing the components after the discharge using SEM, EDS and FTIR. Finally, a developed sensing test was performed in order to investigate the possibility of using this device as a sensor. Obtained results led to the conclusion that the made battery with the zinc as an anode and PEDOT:PSS film as cathode does function and that it is of Zn-air battery-type. The ionic liquid indeed appeared to be vital for the film formation and its low resistivity, but the amount of added IL or CuCl2 did not significantly influence the electrical performance. On the other hand, addition of the salt created change in morphology, which proved to be disadvantageous for the given purpose. Batteries with thick films showed both higher discharge voltage and discharge time, resulting in higher power and capacity, which made them favorable for this use. Results obtained during the sensing test led to the conclusion that the created system could also have this alternative application, opening the possibility for further research.

L'aumento complessivo di nuove soluzioni tecnologiche, soprattutto in termini di digitalizzazione, elettrodomestici, elettronica, tecnologie wireless e così via, è innegabile. Ciò offre nuove opportunità di applicazione in molti settori diversi. Un esempio di questi sono dispositivi medici, come sensori, protesi e impianti, sistemi di rilascio di farmaci e così via. Tutto ciò ha portato alla crescente necessità di nuove soluzioni per l'alimentazione elettrica in loco. In questo lavoro, è stata esplorata la possibilità di utilizzare il PEDOT: PSS, in forma di pellicole sottili e spesse, come catodo in un accumulatore d’energia. Inoltre, è stato caratterizzato il modo in cui la formulazione del film influenza la sua capacità conduttiva e viene proposta un'applicazione alternativa per la batteria prodotta. L’attività di ricerca è stata suddivisa in quattro fasi. Inizialmente, sono state effettuate delle prove di caratterizzazione delle pellicole di PEDOT: PSS sottili e spesse con due diverse composizioni - con e senza aggiunta di cloruro di rame (II) come fonte di un catione multivalente, attraverso tecniche d’investigazione come SEM, EDS, FTIR e la tecnica a 4 punti con sonde per la resistività. Il componente chiave che ha reso possibili i film è stato il 1-butil-3-metilimidazolio ottil solfato ionico liquido, che ha avuto il ruolo di plastificante e ha potenziato la conducibilità. Il secondo passo è stato quello di progettare un sistema di batterie adatto a testare i film con le migliori prestazioni, prodotti nel primo stadio, come catodo di una batteria di nuova concezione. Per fare ciò, sono state eseguite una serie di test di scarica, da cui sono stati determinati il tempo di scarica, la capacità, la potenza e l'energia della batteria. Il terzo è stato quello di stabilire il principio di funzionamento della batteria prodotta analizzando i componenti dopo la scarica utilizzando nuovamente le tecniche: SEM, EDS e FTIR. Infine, è stato eseguito un test per verificare la possibilità di utilizzare il dispositivo creato come sensore. I risultati ottenuti hanno portato ad affermare che la batteria prodotta con lo zinco come anodo e PEDOT: pellicola PSS come catodo funziona e che è rientra nella classe di batterie Zn-air. Il liquido ionico si è rivelato vitale per la formazione dei film e la loro bassa resistività, ma la quantità di IL o CuCl2 aggiunta non ha influenzato significativamente le prestazioni elettriche. D'altra parte, l'aggiunta del sale ha causato il cambiamento nella morfologia dei film, che ha portato uno svantaggio per l’utilizzo del PEDOT:PSS come catodo. Le batterie con film spessi hanno mostrato sia una tensione di scarica che un tempo di scarica più alti, con conseguente maggiore potenza e capacità, il che li ha resi . Attraverso I risultati ottenuti durante gli ultimi test hanno suggerito che il sistema realizzato potrebbe essere utilizzato anche come sensore, aprendo la strada a ulteriori investigazioni