(Phys.org) —Se i Google Glass rilasciati di recente e l'Apple iWatch che sarà presto disponibile sono un'indicazione, l'elettronica indossabile potrebbe essere la prossima grande ondata del futuro. Sebbene offrano alcune funzionalità all'avanguardia, dai display della testa al monitoraggio biomedico, probabilmente il più grande collo di bottiglia per le tecnologie indossabili è la batteria. Non solo le batterie devono essere molto piccole e leggere, ma devono anche essere abbastanza potenti da soddisfare il fabbisogno energetico delle numerose funzionalità dei dispositivi.

In un nuovo studio pubblicato su Nano lettere , ricercatori Wei Weng, et al., alla Fudan University di Shanghai, Cina, hanno affrontato il problema dell'alimentazione progettando e fabbricando filati compositi di nanotubi di carbonio (CNT) avvolti su una fibra di cotone per creare una batteria agli ioni di litio ad alte prestazioni. Le fibre, che hanno un diametro di circa 1 mm, può quindi essere tessuto in tessuto flessibile, o stoffa, e facilmente incorporati nell'elettronica indossabile flessibile.

"È estremamente necessaria una fonte di alimentazione che possa essere integrata direttamente e senza soluzione di continuità con l'elettronica indossabile, " Weng ha detto Phys.org . "Perciò, una fonte di energia a forma di fibra è desiderata perché è flessibile e facilmente tessuta in un tessuto. Abbiamo fabbricato per la prima volta una batteria agli ioni di litio completamente in fibra basata su fibre di nanotubi di carbonio, e la batteria in fibra può essere facilmente tessuta in un tessuto energetico ad alte prestazioni."

Anche se questa è la prima realizzazione di questa batteria agli ioni di litio in fibra CNT, presenta ottime proprietà elettrochimiche, compresa un'elevata densità energetica (0,75 mWh/cm) e la capacità di mantenere l'87% della sua capacità dopo 100 cicli.

Una delle maggiori sfide nella progettazione delle fibre delle batterie agli ioni di litio è affrontare il problema dell'espansione del silicio ampiamente noto. Durante le reazioni chimiche che avvengono durante il processo di carica/scarica, il silicio subisce un grande cambiamento di volume fino al 300%. Per adattarsi alla variazione di volume del silicio, i ricercatori hanno incorporato i CNT per realizzare un anodo composito di filato CNT/silicio. I CNT tamponano efficacemente la variazione di volume del silicio e bloccano il silicio in posizione. Senza questa struttura ibrida, l'espansione del silicio lo fa staccare, danneggiando la batteria.

Per il catodo, i ricercatori hanno utilizzato CNT e litio manganite, che ha vantaggi tra cui un'elevata stabilità, alta tensione di lavoro, e basso costo. Avvolgendo i filati di anodo e catodo a base di CNT, separati da un elettrolita in gel, su una fibra di cotone per creare una batteria agli ioni di litio, e poi intrecciare le batterie agli ioni di litio in un tessuto flessibile, i ricercatori hanno dimostrato la fattibilità della fabbricazione di una batteria agli ioni di litio in fibra CNT.

In precedenza, sono stati fatti tentativi per fabbricare fibre di supercondensatori, ma non è stata data molta attenzione alle fibre delle batterie agli ioni di litio a causa della loro difficile fabbricazione. Però, Le batterie agli ioni di litio presentano alcuni vantaggi, come densità di energia più elevate e minori perdite di autoscarica, rispetto ai supercondensatori, quindi forniscono l'opzione migliore per l'elettronica indossabile in generale. Come spiega Weng, il lavoro attuale migliora la ricerca precedente in questo settore, ma ha ancora margini di miglioramento.

"Nel 2012 è stata segnalata una batteria agli ioni di litio con una forma simile (tipo a cavo) utilizzando un filo di rame come scheletro, " ha detto. "Il risultato è meraviglioso ma forse non adatto ad essere tessuto in un tessuto energetico. La batteria ha un grande diametro, utilizza elettrolita liquido ed è pesante. Qui, usiamo la fibra di nanotubi di carbonio come scheletro la cui densità è quasi 1/9 del rame, e usiamo l'elettrolita gel per garantire la sicurezza. Anche l'anodo e il catodo in filato composito realizzati in fibra di nanotubi di carbonio e materiali attivi presentano un diametro ridotto di 100 µm che è appena 1/10 dell'anodo nella batteria del cavo. Perciò, la nostra batteria in fibra è compatibile con le fibre polimeriche utilizzate per realizzare vestiti e ha anche raggiunto prestazioni elevate."

Nel futuro, i ricercatori hanno in programma di migliorare ulteriormente le batterie in fibra in una varietà di aree.

"In primo luogo, vogliamo migliorare le prestazioni, come capacità e ciclo di vita, " Weng ha detto. "In secondo luogo, vogliamo una produzione su larga scala. In terzo luogo, altre funzioni saranno combinate, per esempio., estensibile, allocroico [cambia colore], e autoalimentato."

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