Herstellung gedruckter elektrochemischer Zellen mit fraktaler Struktur mittels Laserdruckverfahren

Die fortschreitende Miniaturisierung elektronischer Geräte erfordert innovative Batteriekonzepte, die kompakte und leistungsfähige Energiespeicher ermöglichen. In dieser Arbeit wird erstmals, nach unserem Kenntnisstand, die Herstellung planarer fraktaler Elektrodenstrukturen (Hilbert- und Moore-Geometrien) mittels laserinduziertem Vorwärtstransfer (LIFT) demonstriert. Ziel ist die Steigerung der Leistungsfähigkeit vollständig gedruckter Lithium-Ionen-Mikrobatterien für miniaturisierte Anwendungen. Hierfür wurden spezielle Tintenformulierungen mit Mangandioxid (MnO2) als Kathodenmaterial, Silizium (Si) als Anodenmaterial und einem Gelpolymerelektrolyt auf Polyethylenglycol-Diacrylat-Basis (PEGDA) mit Lithiumperchlorat (LiClO4) entwickelt. ... mehrZur weiteren Leistungssteigerung wurden die Tinten durch Additive sowie durch Zink- oder Eisendotierung des MnO2-Pulvers modifiziert.
Alle formulierten Tinten zeigten ein scherverdünnendes Verhalten mit variierender Viskoelastizität, was die Druckgenauigkeit und Schichtdicke beeinflussten. Zur Unterstützung der Herstellung der fraktalen Elektrodenstrukturen wurden selbstimmolative Polymere (SIP) als Opferschicht im LIFT-Prozess getestet. Aufgrund thermischer Instabilität während des Materialtransfers kam es jedoch zu Perforationen, sodass die SIP-Schicht nicht in die Elektrodenfertigung aufgenommen wurde.
Die hergestellten Vollzellen mit der Moore-Struktur erreichten die höchste Flächenabdeckung von 74,2 % und maximierte dadurch die aktive Oberfläche. Die spezifische Kapazität wurde jedoch durch die begrenzte Ionenbeweglichkeit im hochviskosen GPE eingeschränkt. Dennoch erreichten die Moore-Strukturen mit eisendotierten Kathoden die höchste spezifische Kapazität von 7,5 mAh/g und zeigten in einer Langzeitstudie über 100 Lade- und Entladezyklen hinweg die besten Leistungswerte.
Diese Ergebnisse verdeutlichen das Potenzial der Moore-Strukturen für den Einsatz in miniaturisierten Energiespeichersystemen und unterstreichen die Bedeutung weiterer Forschungen in diesem Bereich.

The ongoing miniaturization of electronic devices necessitates innovative battery concepts that enable compact and high-performance energy storage. This work reports, to the best of our knowledge, the first fabrication of planar fractal electrode architectures (Hilbert and Moore geometries) using laser-induced forward transfer (LIFT). These architectures are designed to enhance the performance of fully printed lithium-ion microbatteries for miniaturized applications. Special ink formulations were developed using manganese dioxide (MnO2) as cathode material, silicon (Si) as anode material, and a gel polymer electrolyte based on polyethylene glycol diacrylate (PEGDA) with lithium perchlorate (LiClO4). ... mehrTo further improve performance, the inks were modified with additives and by doping the MnO2 powder with zinc or iron.
All formulated inks exhibited shear-thinning behaviour with varying viscoelasticity, influencing printing accuracy and layer thickness. Self-immolative polymers (SIP) were tested as a sacrificial layer in the LIFT printing process to support the production of fractal electrode structures. However, thermal instability during material transfer led to perforations, preventing the incorporation of the SIP layer in electrode fabrication.
The produced full cells with the Moore structure achieved the highest area coverage of 74.2 %, maximizing the active surface area. However, the specific capacity was limited by restricted ion mobility in the highly viscous GPE. Nevertheless, Moore structures with iron-doped cathodes achieved the highest specific capacity of 7.5 mAh/g and demonstrated the best performance in a long-term study over 100 charge and discharge cycles.
These results highlight the potential of Moore structures for use in miniaturized energy storage systems and underscore the importance of further research in this field.