Dall'Università di Berkeley la batteria agli ioni di litio che funziona anche da attorcigliata, perforata e tagliata

Le batterie agli ioni di litio che oggi si trovano all'interno di qualsiasi smartphone e auto elettrica, sono di norma realizzate usando involucri rigidi e sigillati: l'obiettivo è quello di proteggere i componenti interni da stress meccanici, e soprattutto per evitare che l'ossigeno possa reagire con gli elettroliti e causare surriscaldamenti, combustioni ed esplosioni.

Proprio il fatto che le batterie debbano essere rigide e robuste rappresenta un ostacolo per la loro integrazione nei dispositivi flessibili. La ricerca tecnologica ha già risposto con batterie basate su elettroliti idrogel che possono essere realizzate in packaging flessibili, ma al momento si tratta di soluzioni con limiti non trascurabili quando si guarda l'autonomia operativa e la vita utile, oltre a presentare altri problemi di impiego sicuro, in particolare a causa della loro tossicità.

D'altra parte i tentativi di utilizzare involucri flessibili in polimeri o materiali elastici si sono scontrati proprio con la facilità con cui aria e umidità possono penetrare e reagire con gli elettroliti. Da qui l'idea di concentrarsi sugli elettroliti idrogel quasi solidi, composti da una rete polimerica che conferisce forma, mentre agenti reticolanti come il borace o legami a idrogeno si occupano di tenere insieme la struttura. Vi è poi una fase liquida a base d’acqua e sali o altri additivi che forniscono gli ioni necessari al funzionamento della batteria.

Questi idrogel però hanno presentato il rovescio della medaglia di avere una stabilità elettrochimica piuttosto ristretta: per evitare fenomeni di idrolisi è necessario mantenersi entro gli 1,2V, laddove le batterie commerciali attuali operano attorno ai 3,3V. Questo aspetto è stato affrontato usando soluzioni ad alta concentrazione di sali di litio contenenti fluoro, con però problemi di tossicità.

Un gruppo di ricercatori dell’Università della California, Berkeley, ha provato a trovare un'altra risposta, con lo sviluppo di una batteria agli ioni di litio flessibile, non tossica e dalla consistenza gelatinosa, in grado di sopportare piegamenti, torsioni e persino tagli con un rasoio, senza perdere funzionalità.

I ricercatori si sono posti l'obiettivo di realizzare una batteria a idrogel con una più ampio intervallo di tensione operativa e senza elementi tossici. Il punto di partenza è l'impiego di un polimero con cariche positive e negative con cui le molecole d'acqua reagiscono in modo specifico formando legami a idrogeno con le parti cariche positivamente, mentre gli ioni di litio sono attratti dalle parti cariche negativamente. In questo modo il polimero può trattenere l'acqua in maniera sufficiente ad evitare la sua scissione a tensioni più elevate, ma rilasciando al contempo gli ioni di litio quando necessario. Il reticolante di questa soluzione è stato individuato nell'acido acrilico, mentre l'elettrolita contiene un sale di litio senza fluoro per eliminare i problemi di tossicità.

C'è un ulteriore aspetto particolarmente interessante che riguarda la gestione dell'acqua nell'idrogel: il polimero non è stato immerso nell'acqua come avviene normalmente in questi casi, ma i ricercatori hanno semplicemente lasciato che i sali assorbissero l'umidità direttamente dall'aria. Questo ha consentito di limitare il contenuto d'acqua al 19% (rispetto a percentuali ben più elevate, attorno all'80%, che si registrano con i metodi tradizionali) e ottenere un elettrolita stabile anche in condizioni di umidità ambientale tipica.

Riassumendo: i ricercatori hanno realizzato un elettrolita idrogel a basso contenuto di acqua che integrato con gli elettrodi, ha permesso di costruire una batteria capace di alimentare un circuito stampato con LED per oltre un mese senza necessità di confezionamento ermetico o rigido, operando a una tensione superiore a 3,1 volt senza fenomeni significativi di scissione dell’acqua. La batteria ha inoltre superato 500 cicli completi di carica e scarica, un valore paragonabile a quello delle batterie degli smartphone commerciali.

E' tutto rose e fiori? No, com'è normale che sia con le attività di ricerca e le sperimentazioni d'avanguardia. Una batteria commerciale capace di sostenere 500 cicli di carica, dovrebbe riuscire a mantenere almeno l'80% della capacità iniziale, mentre la nuova architettura di batteria ideata dai ricercatori si ferma al momento al 60%. La batteria ha mostrato inoltre una bassa densità di energia, pari a circa un decimo di quanto possibile con le migliori batterie tradizionali oggi in circolazione.

I ricercatori però osservano che le particolari caratteristiche di questa batteria potrebbero aprire nuove strade nella realizzazione di dispositivi indossabili e flessibili, aggirando il problema della bassa densità: uno smartwatch il cui cinturino fosse costituito interamente da una batteria potrebbe raggiungere autonomie decisamente apprezzabili.

La ricerca di tecniche e materiali capaci di portare alla realizzazione di batterie flessibili è un campo particolarmente vivace: proprio ieri vi abbiamo raccontato di un progetto svedese della Linköping University che ha consentito di dar luogo ad una batteria fluida.