Inkjet printing of a thin-film flexible lithium-ion battery

In the last years, the birth of wearable electronics has determined the need to develop flexible energy storage devices. As a consequence, the need of a new production method, combining compatibility with these new products and cost-competitiveness to allow a rapid spread on the market, has arisen. In this research, thermal inkjet printing has been investigated as a possible candidate: it is compatible with flexible substrates, and its simple setup and the speed of deposition grant a high cost-effectiveness, together with precision and accuracy. In particular, this project intends to produce through inkjet printing an anode, a cathode and a current collector on a kapton substrate, aiming at obtaining a flexible device. For what concerns the anode, three formulations have been proposed, aiming at evaluating the most performing conductive agent among carbon black and carbon nanotubes, compared to a no-add ink. The results show how this last alternative CNT provide superior specific capacity (150 mAhg-1) and high cyclability. As a consequence, they have been adopted also for the cathode, for which a LMO-based ink was produced and tested, proving a specific capacity of 100 mAhg-1 at a C-rate of 0.2. Finally, a MXenes ink has been developed and used as current collector: it proved high conductivity compared to CNT, as well as electrochemical inertness, with no impact on the reactions occurring at the electrodes. The three components were tested at first in coin cell, and then in the form of flexible device with a stack and a planar configuration: the results show a specific capacity of 37 and 60 mAhg-1 in discharge and charge respectively for the layered configuration, while the planar one displayed low capacity due to excessive losses.

Negli ultimi anni, la diffusione dell’elettronica indossabile ha determinato la necessità di sviluppare dispositivi per l’immagazzinamento di energia flessibili. Risulta quindi necessario elaborare un processo di produzione alternativo compatibile con questi nuovi prodotti che garantisca un abbattimento dei costi tale da favorirne una rapida diffusione sul mercato. In questa ricerca, l’inkjet printing è stata esaminata come possibile candidata grazie alla sua compatibilità con supporti flessibili, al funzionamento semplice e alla velocità di deposizione, che garantiscono un’evidente riduzione dei costi, così come elevata precisione e accuratezza. In particolare, questo lavoro si è focalizzato sulla produzione di un anodo, un catodo e un collettore di corrente attraverso inkjet printing su un substrato in kapton così da ottenere un dispositivo flessibile. Per quanto riguarda l’anodo, sono state proposte tre formulazioni diverse per valutare il materiale conduttivo più adeguato tra nero carbone e nanotubi di carbonio (CNT), paragonati a un inchiostro privo di materiale conduttivo. I risultati dimostrano che i CNT presentano maggiore capacità specifica (150.3 mAhg-1 a 0.2 C) e ciclabilità. La stessa formulazione è stata adottata anche per il catodo, utilizzando come materiale attivo LMO con concentrazione doppia, per il quale si è ottenuta una buona capacità specifica (100 mAhg-1 a 0.2 C). Il principale svantaggio tipico di questo materiale è la transizione di fase a 3 V che determina la formazione di stress interni. Il collettore di corrente è stato realizzato utilizzando un inchiostro a base di MXeni, che hanno dimostrato ottima conducibilità anche a bassi spessori e sono risultati inerti da punto di vista elettrochimico. Le tre componenti appena descritte sono state combinate e testate prima sotto forma di coin-cell, poi come dispositivo flessibile in configurazione stratificata o planare: i risultati testimoniano una capacità specifica di 37 mAhg-1 e 60 mAhg-1 rispettivamente in scarica e in carica per la prima, mentre la seconda presenta capacità basse legate alle perdite eccessive.