Inkjet printed flexible lithium-ion batteries

Flexible electronic devices are rapidly developing in last years, with promising results in many fields. Thus, bendable energy storage systems to power these devices are becoming a necessity. To meet flexibility and/or stretchability properties, new fabrications techniques are explored, as Inkjet printing (IJP). This manufacturing method allows for great deposition geometry control, fast production and cost effectiveness. In this work, the possibility of inkjet printing flexible current collector and high-performance electrodes has been investigated. For current collector, Ti3C2Tx MXene was selected, showing good electrical conductivity, excellent mechanical stability under bending and electrochemical inertness. As electrodes, LTO and LFP were adopted at the anodic and cathodic sides respectively. LTO ink showed a discharge specific capacity of 160 mAh/g, while LFP presented a value of 112 mAh/g. The complete coin cell, with printed current collector and electrodes, had a discharge capacity of 108 mAh/g, with excellent stability over 100 charge-discharge cycles. For the printing of flexible device, in-plane configuration was chosen, using a Mylar film as substrate. The in-plane configuration showed a massive drop in performances compared to the coin cell, presenting a discharge specific capacity of 6 mAh/g. Despite this, it was demonstrated that the electrochemical behavior is independent from bending conditions. Both capacity and cyclability showed similar values in case of flat and bent device. Further research will have to try to improve electrochemical performances of the flexible device, maintaining the bending stability.

I dispositivi elettronici flessibili si stanno rapidamente sviluppando negli ultimi anni, con risultati promettenti. Quindi, sistemi flessibili per l’accumulo di energia al fine di caricare questi dispositivi sta diventando una necessità. Per soddisfare proprietà di flessione e/o allungamento, vengono esplorati nuovi metodi di produzione, tra cui l’Inkjet printing (IJP), o stampa a inchiostro. Questo metodo permette controllo della geometria depositata, produzione veloce e bassi costi. In questo lavoro è stata studiata la possibilità di stampare collettore di corrente ed elettrodi flessibili. Per il collettore di corrente, Ti3C2Tx MXene è stato usato, mostrando conducibilità elettrica, ottima resistenza a flessione e inattività elettrochimica. Riguardo gli elettrodi, LTO e LFP sono stati impiegati rispettivamente come anodo e catodo. L’inchiostro di LTO ha mostrato una capacità specifica in scarica di 160 mAh/g, mentre quello di LFP ha presentato un valore di 112 mAh/g. La coin cell completa, assemblata con collettore di corrente ed elettrodi stampati, ha mostrato una capacità di 108 mAh/g, mostrando eccellente stabilità per 100 cicli di carica-scarica. Per la stampa del dispositivo flessibile, la configurazione planare è stata adottata, usando un film di Mylar come substrato. La configurazione planare ha mostrato una significativa perdita di prestazioni rispetto a quella alla coin cell, con una capacità in scarica di 6 mAh/g. Nonostante questo, è stato dimostrato che il comportamento elettrochimico non dipende dallo stato di flessine. Sia la capacità che la ciclabilità hanno mostrato valori simili in caso di dispositivo piatto e flesso. Futuri studi avranno lo scopo di migliorare le prestazioni elettrochimiche della batteria flessibile, mantenendo la stabilità in flessione.