Una batteria totalmente stravolta

L'industria elettronica si sta concentrando sempre più su computer e smartphone con schermi pieghevoli o arrotolabili. I dispositivi miniaturizzati o i sensori indossabili vengono utilizzati negli indumenti intelligenti, ad esempio per monitorare le funzioni corporee. Tuttavia, tutti questi dispositivi hanno bisogno di una fonte di energia, che di solito è una batteria agli ioni di litio. Tuttavia, tali batterie sono pesanti e rigide, il che le rende inadatte, in linea di principio, alle applicazioni nei dispositivi elettronici flessibili o nei tessuti.

Markus Niederberger, professore di materiali multifunzionali all'ETH di Zurigo, e il suo team hanno ora trovato una soluzione a questo problema. I ricercatori hanno sviluppato un prototipo di batteria flessibile a film sottile. Questa può essere piegata, allungata o addirittura contorta senza interrompere l'alimentazione.

Il fulcro di questa nuova batteria è l'elettrolita, cioè la parte della batteria attraverso la quale gli ioni di litio devono muoversi durante la carica o la scarica. L'elettrolita è stato sviluppato dal dottorando Xi Chen, primo autore di uno studio appena pubblicato sulla rivista "ETH Zurich".pagina esternaMateriali avanzatiè apparso il messaggio "Toggle fullscreen".

Componenti flessibili utilizzati in modo coerente

La struttura a sandwich della nuova batteria si ispira alle batterie ricaricabili in commercio. Tuttavia, i ricercatori hanno utilizzato per la prima volta componenti esclusivamente flessibili per mantenere la batteria nel suo complesso flessibile ed estensibile. "Nessuno ha mai utilizzato componenti esclusivamente flessibili per produrre una batteria agli ioni di litio in modo così coerente come abbiamo fatto noi", afferma Niederberger.

I due collettori di corrente per l'anodo e il catodo sono costituiti da una plastica estensibile che contiene carbonio elettricamente conduttivo. Questo è anche il guscio esterno. I ricercatori hanno applicato un sottile strato di piccole scaglie d'argento all'interno della plastica. Grazie alla disposizione a tegola delle scaglie d'argento, queste non perdono contatto l'una con l'altra anche quando la plastica si allunga notevolmente. In questo modo si garantisce la conduttività del collettore di corrente anche se si allunga notevolmente. Se le scaglie d'argento perdono contatto tra loro, la corrente elettrica passa attraverso la plastica contenente carbonio, anche se a una velocità inferiore.

Utilizzando una maschera, i ricercatori hanno poi spruzzato la polvere anodica o catodica sullo strato d'argento in un'area precisamente definita. La polvere del catodo contiene ossido di litio e manganese, quella dell'anodo ossido di vanadio.

Elettrolita in gel a base d'acqua

Separati da uno strato di separazione che assomiglia a una cornice, gli scienziati hanno infine posizionato i due collettori di corrente con gli elettrodi uno sopra l'altro e hanno riempito lo spazio nella cornice con gel elettrolitico.

Questo gel è più ecologico di quelli precedenti, come sottolinea Niederberger. "Il gel sviluppato dal suo dottorando Xi Chen, invece, è basato sull'acqua. Il gel contiene un'alta concentrazione di sale di litio, che non solo permette agli ioni di litio di muoversi tra il catodo e l'anodo durante la carica e la scarica, ma impedisce anche la decomposizione elettrochimica dell'acqua.

Per il loro prototipo, gli scienziati hanno unito i vari componenti con un adesivo. "Se vogliamo commercializzare la batteria, dobbiamo trovare un altro metodo per garantire che rimanga a prova di perdite nel lungo periodo", spiega Niederberger.

Numerose applicazioni possibili

Le applicazioni di questa batteria sono sempre più numerose. I più noti produttori di telefoni cellulari si stanno sfidando a colpi di schermi flessibili per i loro dispositivi. Sono ipotizzabili anche display arrotolabili per computer, smartwatch e tablet; gli alimentatori flessibili sono necessari anche nei tessuti funzionali, che contengono componenti elettronici pieghevoli. "Una batteria di questo tipo potrebbe essere cucita nei vestiti, per esempio", dice Niederberger. È importante che, in caso di perdita della batteria, il liquido che fuoriesce non causi alcun danno: ecco perché l'elettrolita offre dei vantaggi.

Niederberger sottolinea, tuttavia, che sono necessarie ulteriori ricerche per ottimizzare la batteria flessibile e pensare alla commercializzazione. Soprattutto, è necessario aumentare il carico del materiale dell'elettrodo. Una nuova dottoranda ha recentemente iniziato a sviluppare ulteriormente la fonte di energia morbida. L'inventore del primo prototipo, Xi Chen, originario della Cina, dopo aver completato la tesi di dottorato è tornato nel suo Paese, dove ha assunto una nuova posizione - come consulente nell'industria delle batterie.