Roma – I ricercatori hanno sviluppato un’opzione di batteria più sicura, più economica, con prestazioni migliori e più flessibile per i dispositivi indossabili.
Un articolo che descrive la “ricetta” per il loro nuovo tipo di batteria è stato pubblicato sulla rivista Nano Research Energy.
Tracker di fitness. Orologi intelligenti. Cuffie per la realtà virtuale. Anche abbigliamento e impianti intelligenti. I dispositivi intelligenti indossabili sono ovunque al giorno d’oggi. Ma per ottenere maggiore comfort, affidabilità e longevità, questi dispositivi richiederanno maggiori livelli di flessibilità e miniaturizzazione dei loro meccanismi di stoccaggio dell’energia, che sono spesso frustrantemente ingombranti, pesanti e fragili. Inoltre, eventuali miglioramenti non possono andare a scapito della sicurezza.
Di conseguenza, negli ultimi anni, gran parte della ricerca sulle batterie si è concentrata sullo sviluppo di dispositivi flessibili di stoccaggio dell’energia “micro” o MFESD. Sono state esplorate una serie di strutture e basi elettrochimiche diverse e, tra queste, le microbatterie acquose offrono molti vantaggi distinti.
Le batterie acquose: quelle che utilizzano una soluzione a base d’acqua come elettrolita (il mezzo che consente il trasporto di ioni nella batteria e quindi la creazione di un circuito elettrico) non sono una novità. Sono in circolazione dalla fine del XIX secolo. Tuttavia, la loro densità energetica – o la quantità di energia contenuta nella batteria per unità di volume – è troppo bassa per essere utilizzata in cose come i veicoli elettrici poiché occuperebbero troppo spazio. Le batterie agli ioni di litio sono molto più adatte per tali usi.
Allo stesso tempo, le batterie ad acqua sono molto meno infiammabili e quindi più sicure rispetto alle batterie agli ioni di litio. Sono anche molto più economici. Come risultato di questa maggiore sicurezza e del basso costo, le opzioni acquose sono state sempre più esplorate come una delle migliori opzioni per i MFESD. Queste sono chiamate microbatterie acquose o semplicemente AMB.
“Finora, purtroppo, gli AMB non sono stati all’altezza del loro potenziale”, ha affermato Ke Niu, uno scienziato dei materiali presso il Guangxi Key Laboratory of Optical and Electronic Materials and Devices presso l’Università di Tecnologia di Guilin, uno dei principali ricercatori sull’argomento. squadra. “Per poter essere utilizzati in un dispositivo indossabile, devono resistere a un certo grado di piegatura e torsione del mondo reale. Ma la maggior parte di quelli esplorati finora falliscono di fronte a tale stress”.
Il meccanismo di scarica e ricarica della batteria (in alto) e il suo meccanismo di autoriparazione (in basso).
CREDITO
Nano ricerca energetica, Università di Tsinghua
Per superare questo problema, eventuali fratture o punti di cedimento in un AMB dovrebbero autoripararsi in seguito a tale stress. Sfortunatamente, gli AMB autorigeneranti sviluppati finora tendono a dipendere da composti metallici come portatori di carica nel circuito elettrico della batteria. Ciò ha l’effetto collaterale indesiderato di una forte reazione tra gli ioni del metallo e i materiali di cui sono costituiti gli elettrodi (i conduttori elettrici positivo e negativo della batteria). Ciò a sua volta riduce la velocità di reazione della batteria (la velocità con cui avvengono le reazioni elettrochimiche nel cuore di qualsiasi batteria), limitando drasticamente le prestazioni.
“Così abbiamo iniziato a studiare la possibilità di portatori di carica non metallici , poiché questi non soffrirebbero delle stesse difficoltà derivanti dall’interazione con gli elettrodi”, ha aggiunto Junjie Shi, un altro membro di spicco del team e ricercatore presso la Scuola di Fisica e il Centro zfor Nanoscale Characterization & Devices (CNCD) presso l’Università di Scienza e Tecnologia di Huazhong a Wuhan.
Il gruppo di ricerca si è concentrato sugli ioni ammonio, derivati da sali di ammonio abbondantemente disponibili, come portatori di carica ottimali. Sono molto meno corrosivi rispetto ad altre opzioni e hanno un’ampia finestra di stabilità elettrochimica.
“Ma gli ioni di ammonio non sono l’unico ingrediente nella ricetta necessaria per far sì che le nostre batterie si autoriparano”, ha affermato Long Zhang, il terzo membro principale del gruppo di ricerca, sempre al CNCD.
Per questo, il team ha incorporato i sali di ammonio in un idrogel, un materiale polimerico in grado di assorbire e trattenere una grande quantità di acqua senza alterare la sua struttura. Ciò conferisce agli idrogel una flessibilità impressionante, fornendo esattamente il tipo di carattere di auto-riparazione necessario. La gelatina è probabilmente l’idrogel più conosciuto, anche se in questo caso i ricercatori hanno optato per un idrogel di alcol polivinilico (PVA) per la sua grande resistenza e il basso costo.
Per ottimizzare la compatibilità con l’elettrolita di ammonio, per il materiale dell’anodo (l’elettrodo negativo) è stato scelto il carburo di titanio, un nanomateriale “2D” con un solo strato di atomi, per la sua eccellente conduttività. Nel frattempo il biossido di manganese, già comunemente utilizzato nelle batterie a secco, è stato intrecciato in una matrice di nanotubi di carbonio (sempre per migliorare la conduttività) per il catodo (l’elettrodo positivo).
I test del prototipo di batteria autoriparante hanno dimostrato che presenta eccellenti densità di energia, densità di potenza, durata del ciclo, flessibilità e autoriparazione anche dopo dieci cicli di autoriparazione. Il team ora mira a sviluppare e ottimizzare ulteriormente il prototipo in preparazione alla produzione commerciale.(30Science.com)
