Inkjet Printed Ti3C2Tx sensors for external temperature monitoring of batteries

Temperature is a critical parameter in the design, performance, and safety of lithium based batteries (e.g. LIBs and LiPo), widely used in consumer electronics, electric vehicles, and energy storage systems. Their operation outside the optimal thermal range (15–45 °C) can lead to rapid aging, reduced efficiency, and, in extreme cases, thermal runaway—a hazardous, self-sustaining reaction triggered at temperatures above 60 °C. Accurate temperature monitoring is thus essential to ensure battery reliability and to prevent catastrophic failures. While internal sensing offers high precision, it is often complex and costly. External non-contact methods—such as infrared imaging—are more practical but sensitive to surface emissivity and environmental interference, which limits their reliability. A promising alternative are contact-based sensors such as resistance temperature detectors (RTDs), and especially printable sensors. Inkjet printing is an economic and versatile technique that can ensure the fabrication of conformal, low-cost sensors on complex surfaces. Among printable materials, Ti3C2Tx MXenes stand out for their conductivity, thermal sensitivity, and hydrophilicity, that makes them easily dispersible in water-based inks. Inkjet printing ensures high-resolution, additive deposition directly onto battery casings, maintaining thermal equilibrium with the surface and minimizing sensor footprint. In this study, Ti3C2Tx-based RTDs were inkjet-printed directly on commercial LiPo batteries’ casings to evaluate their temperature sensitivity and performance under repeated heating and cooling cycles. Resistance measurements showed a good sensibility to temperature variations and high responsiveness. The dependence of the sensor’s performance on its dimensions and number of printed layers was evaluated, as well as the efficacy of encapsulation on improving the sensor’s longevity. These results confirm the feasibility of printed MXene sensors for external battery monitoring, offering an effective, scalable, and accurate solution for early detection of overheating and thermal anomalies.

La temperatura è un parametro fondamentale nella progettazione, nelle prestazioni e nella sicurezza delle batterie al litio (come Li-ion e LiPo), largamente utilizzate in elettronica di consumo, veicoli elettrici e sistemi di accumulo energetico. Un funzionamento al di fuori dell’intervallo ottimale (15–45 °C) può causare invecchiamento precoce, perdita di efficienza e, in casi estremi, thermal runaway: una reazione esotermica incontrollata che si innesca oltre i 60 °C. Un monitoraggio accurato della temperatura è quindi essenziale per garantire l’affidabilità delle batterie e prevenire guasti pericolosi. I sensori interni offrono alta precisione, ma sono complessi e costosi da integrare. I metodi esterni senza contatto, come le termocamere a infrarossi, risultano più pratici, ma sensibili all’emissività superficiale e a fattori ambientali, limitandone l’affidabilità. Un’alternativa promettente è rappresentata da sensori a contatto, come gli RTD (Resistance Temperature Detectors), in particolare quelli stampabili. La stampa inkjet è una tecnica economica e versatile, che consente la realizzazione di sensori conformi su superfici complesse. Tra i materiali stampabili, i MXene Ti₃C₂Tₓ si distinguono per conducibilità, sensibilità termica e idrofilia, che ne facilita la dispersione in inchiostri acquosi. La stampa inkjet permette una deposizione additiva ad alta risoluzione direttamente sull’involucro delle batterie, garantendo equilibrio termico e minimo ingombro. In questo studio, RTD a base di Ti₃C₂Tₓ sono stati stampati a inkjet su batterie LiPo commerciali, valutandone sensibilità e risposta durante cicli termici ripetuti. Le misure di resistenza hanno mostrato buona sensibilità e reattività alle variazioni di temperatura. Sono stati inoltre analizzati l’effetto delle dimensioni, del numero di strati stampati e dell’incapsulamento sulla stabilità a lungo termine. I risultati confermano l’efficacia dei sensori MXene stampati per il monitoraggio termico esterno, offrendo una soluzione precisa, scalabile e affidabile per la rilevazione precoce di anomalie e surriscaldamenti.