Fabrication par impression jet d'encre d'électrodes 3D pour les nouvelles batteries Li-ion : opportunités et défis

Fabrication of 3D electrodes for modern lithium-ion batteries by inkjet printing : opportunities and challenges

• Auteur / Autrice : Kinga Sztymela
• Direction : Fabrice Rossignol, Manuella Cerbelaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux céramiques et traitements de surface
• Date : Soutenance le 25/09/2023
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et Ingénierie (Limoges ; 2022-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche sur les CERamiques
• Jury : Président / Présidente : Christel Laberty-Robert
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Giorgia Franchin, Andrea Zocca, Eduardo Saiz
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Christel Laberty-Robert, Lionel Presmanes

Mots clés

Mots clés contrôlés

Structures spatiales

Imprimabilité

Batteries lithium-ion

Mots clés libres

Impression jet d'encre

Electrodes

Structures tridimensionnelles

Formulation d'encre

Inkjet printing

Lithium-Ion batteries

Electrodes

Printability

Three-Dimensional structures

Ink formulation

Résumé

En raison de leur densité d’énergie élevée, leur tension de fonctionnement élevée et leurlongue durée de vie, les batteries lithium-ion (LIB) sont actuellement la technologie de stockage d’énergie la plus avancée pour les appareils mobiles et les véhicules électriques. Le marché des LIB est en constante expansion et devrait rester la technologie de batterie préférée à court et moyen termes. Bien que les LIB soient déjà bien développées, il y a du potentiel pour améliorer leurs performances, leur sécurité et leur coût. Une approche prometteuse pour y parvenir est l’utilisation d’une structure d’électrode tridimensionnelle (3D). Les techniques de fabrication additive, telles que l’impression jet d’encre (IJP), offrent les avantages d’un dépôt rapide de films minces ou de motifs complexes avec unegrande précision. Cette étude explore les possibilités et les défis associés à la fabrication d’électrodes composites 3D à l’aide de cette technologie IJP. Les propriétés physiques et rhéologiques des encres composites sont ajustées pour répondre aux exigences de l’IJP, et l’effet de ces formulations sur les caractéristiques électrochimiques des électrodes est évalué. Les tests d’impression sont présentés, révélant un problème d’instabilités du procédé, et leurs causes sous-jacentes sont expliquées. Enfin,la caractérisation microstructurale des motifs 3D déposés est démontrée.

Owing to high energy density, high operating voltage, and long cycle life, lithium-ionbatteries (LIBs) are currently the leading energy storage technology for mobile devices and electric vehicles. The LIB market is continuously expanding and is expected to remain the preferred battery technology in the short- to medium-term future. Although LIBs are already well-developed, there is still potential to improve their performance, safety, and cost, and one promising approach for achieving this is through the use of a three-dimensional (3D) electrode structure. Additive manufacturing techniques, such as inkjet printing (IJP), offer the advantages of rapid deposition of thin films or complex patterns with high precision. This study explores the possibilities and challenges associated with the fabrication of 3D composite electrodes using IJP technology. The physical and rheological properties of the composite inks are adjusted to meet the requirements of IJP, and the effect of these formulations on the electrochemical characteristics of the electrodes is assessed. The printability tests are presented revealing a problem of process instabilities, and their underlying causes are explained. Finally, microstructural characterization of deposited 3D patterns is demonstrated.