Il team di ricercatori di Markus Niederberger presso l'ETH ha utilizzato materiali elastici per sviluppare una batteria che può essere piegata, allungato e contorto. Per applicazioni in dispositivi elettronici pieghevoli, questo è esattamente il tipo di batteria di cui hanno bisogno.

L'industria elettronica di oggi si sta concentrando sempre più su computer o smartphone con schermi che possono essere piegati o arrotolati. I capi di abbigliamento intelligenti utilizzano micro-dispositivi indossabili o sensori per monitorare le funzioni corporee, Per esempio. Però, tutti questi dispositivi necessitano di una fonte di energia, che di solito è una batteria agli ioni di litio. Sfortunatamente, le batterie commerciali sono generalmente pesanti e rigide, rendendolo fondamentalmente inadatto per applicazioni in elettronica flessibile o tessili.

Un rimedio per questo problema è stato creato da Markus Niederberger, Professore di materiali multifunzionali all'ETH di Zurigo, e la sua squadra. I ricercatori hanno sviluppato un prototipo per una batteria a film sottile flessibile che può essere piegata, allungato e persino attorcigliato senza interrompere l'alimentazione.

Ciò che rende speciale questa nuova batteria è il suo elettrolita, quella parte della batteria attraverso la quale gli ioni di litio si muovono quando la batteria viene caricata o scaricata. Questo elettrolita è stato scoperto dallo studente di dottorato dell'ETH Xi Chen, autore principale dello studio recentemente apparso sulla rivista scientifica Materiale avanzato .

Utilizzo sistematico di componenti pieghevoli

Seguendo la progettazione delle batterie commerciali, questo nuovo tipo di batteria è costruito a strati come un sandwich. Però, segna la prima volta che i ricercatori hanno utilizzato componenti flessibili per mantenere l'intera batteria flessibile ed estensibile. "Ad oggi, nessuno ha impiegato esclusivamente componenti flessibili in modo così sistematico come abbiamo fatto noi nella creazione di una batteria agli ioni di litio, " dice Niederberger.

I due collettori di corrente per l'anodo e il catodo sono costituiti da un composito polimerico pieghevole che contiene carbonio elettricamente conduttivo e che funge anche da guscio esterno. Sulla superficie interna del composito, i ricercatori hanno applicato uno strato sottile di scaglie d'argento micronizzate. A causa del modo in cui i fiocchi si sovrappongono come le tegole del tetto, non perdono il contatto tra loro quando l'elastomero viene allungato. Ciò garantisce la conducibilità del collettore di corrente anche se sottoposto a stiramenti estesi. E nel caso in cui i fiocchi d'argento perdano di fatto il contatto tra loro, la corrente elettrica può ancora fluire attraverso il composito contenente carbonio, anche se più debolmente.

Con l'aiuto di una maschera, i ricercatori hanno quindi spruzzato polvere di anodo e catodo su un'area ben definita dello strato d'argento. Il catodo è composto da ossido di litio manganese e l'anodo è un ossido di vanadio.

Elettrolita in gel a base d'acqua

Nella fase finale, gli scienziati hanno impilato i due collettori di corrente con gli elettrodi applicati uno sopra l'altro, separati da uno strato barriera simile a una cornice, mentre lo spazio vuoto nel telaio è stato riempito con il gel elettrolitico.

Niederberger sottolinea che questo gel è più rispettoso dell'ambiente rispetto agli elettroliti commerciali:"L'elettrolita liquido nelle batterie di oggi è infiammabile e tossico". In contrasto, l'elettrolita in gel sviluppato dal suo studente di dottorato Chen contiene acqua con un'alta concentrazione di un sale di litio, che non solo facilita il flusso di ioni di litio tra catodo e anodo mentre la batteria si sta caricando o scaricando, ma mantiene anche l'acqua dalla decomposizione elettrochimica.

Gli scienziati hanno unito le varie parti del loro prototipo con l'adesivo. "Se vogliamo commercializzare la batteria commercialmente, dovremo trovare un altro processo che lo tenga sigillato per un periodo di tempo più lungo, " dice Niederberger.

Numerose potenziali applicazioni

Ogni giorno emergono sempre più applicazioni per una batteria come questa. Famosi produttori di telefoni cellulari fanno a gara per produrre dispositivi con schermi pieghevoli. Altre possibilità includono display arrotolabili per computer, smartwatch e tablet, o tessuti funzionali che contengono componenti elettronici pieghevoli e tutti questi richiedono un alimentatore flessibile. "Ad esempio, potresti cucire la nostra batteria direttamente nei vestiti, " dice Niederberger. L'importante è in caso di perdita della batteria, per garantire che i liquidi che fuoriescono non causino danni. È qui che l'elettrolita del team offre un vantaggio considerevole.

Però, Niederberger sottolinea che sono necessarie ulteriori ricerche per ottimizzare la batteria flessibile prima di prendere in considerazione la commercializzazione. Soprattutto, il team deve aumentare la quantità di materiale degli elettrodi che può contenere. Un nuovo studente di dottorato ha recentemente iniziato a perfezionare l'alimentatore estensibile. L'inventore del prototipo iniziale, Xi Chen, tornato nella sua terra natale, la Cina, dopo aver completato la sua tesi di dottorato, per intraprendere un nuovo lavoro, come consulente per l'industria delle batterie.