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Ricercatori dell’Università della California di San Diego hanno sviluppato la prima batteria stampabile, flessibile, estensibile e ricaricabile adatta ad alimentare dispositivi elettronici indossabili.
I ricercatori hanno reso flessibili ed estensibili le batterie stampate incorporando un materiale polimerico iper-elastico realizzato in isoprene, uno degli ingredienti principali di prodotti quali gomma sintetica e polistirene; la sostanza, nota come SIS, consente alle batterie di allungarsi del doppio, in qualsiasi direzione, senza subire danni.
L’inchiostro usato per stampare le batterie è costituito da ossido d’argento e zinco mescolato con SIS. Per rendere ricaricabile la struttura a base di zinco (tipicamente non ricaricabile), i ricercatori hanno aggiunto dell’ossido di bismuto.
“Si tratta di un passo significativo verso l’elettronica elastica e autoalimentata“, ha dichiarato Joseph Wang, professore di nanotecnologie presso la Jacobs School of Engineering della UC San Diego, dove dirige il Center for Wearable Sensors. “Prevediamo che questa tecnologia rappresenti la strada per migliorare altre forme di immagazzinamento energetico e di elettronica estensibile e stampabile, non solo per le batterie a base di zinco, ma anche per le batterie agli ioni di litio, oltre ai supercondensatori e alle celle fotovoltaiche”.
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Il prototipo realizzato dai ricercatori ha circa 1/5 della capacità delle batterie utilizzate negli apparecchi acustici ma è di 1/10 più sottile, più economico ed è realizzato con materiali facilmente reperibili in commercio. Sono necessarie due di queste batterie per raggiungere i 3 V e alimentare un LED. I ricercatori stanno ancora lavorando per migliorare le prestazioni della batteria, i prossimi passi prevedono l’espansione dell’uso della tecnologia in applicazioni diverse, come le celle solari e le celle a combustibile.
Le batterie possono essere stampate direttamente su tessuto o su indumenti di altro tipo: possono essere stampate nelle forme più diverse e gli indumenti possono essere indossati per un lungo periodo di tempo senza alcun problema.
I ricercatori hanno utilizzato le tecniche standard di stampa che consentono di ridurre drasticamente i costi, costi che non superano i 50 centesimi di dollaro per batteria, prezzo già concorrenziale con le batterie ricaricabili esistenti in commercio.
Per il prototipo è stata utilizzata una T-shirt estensibile sulla quale è stata stampata la parola NANO, che racchiude gli elettrodi della batteria, collegati ad un LED verde, come si vede nelle immagini.
L’ingrediente chiave che rende le batterie ricaricabili è una molecola di ossido di bismuto che, mescolata negli elettrodi di zinco delle batterie, prolunga la vita dei dispositivi e consente la ricarica. L’aggiunta di ossido di bismuto alle batterie allo zinco è pratica standard nell’industria per migliorarne le prestazioni, ma fino a poco tempo fa non esisteva una spiegazione scientifica di questo comportamento.
Lo scorso anno, i nano-ingegneri dell’UC di San Diego guidati dal professor Y. Shirley Meng hanno effettuato una ricerca approfondita per dare una spiegazione a questo comportamento (scarica qui lo studio). Durante la scarica della batteria, gli elettrodi di zinco della batteria reagiscono con l’elettrolita all’interno della batteria, producendo sali di zinco che ad un certo punto provocano un corto circuito e la fine dell’erogazione di corrente; l’aggiunta di ossido di bismuto impedisce la perdita di zinco dall’elettrodo. Ciò garantisce che le batterie continuino a funzionare e possano anche essere ricaricate.
Il lavoro dimostra come sia possibile utilizzare piccole quantità di additivi, come l’ossido di bismuto, per modificare le proprietà dei materiali.
“Comprendere questo meccanismo scientifico permetterà di trasformare le batterie non ricaricabili in batterie ricaricabili – non solo quelle allo zinco ma anche con altri composti elettrochimici come l’ossigeno e il litio”, ha dichiarato Meng, che dirige il Sustainable Power and Energy Center presso l’UC San Diego Jacobs School of Engineering.
Rajan Kumar, co-autore dello studio, è ora alla guida di un team – insieme al professor Wang – che ha lo scopo di commercializzare queste nuove tecnologie. Questo team è uno dei cinque che è stato selezionato per fare parte del nuovo acceleratore tecnologico presso l’UC San Diego. L’acceleratore tecnologico è gestito dall’UC San Diego Institute for the Global Entrepreneur, una collaborazione tra la Jacobs School of Engineering e la Rady School of Management.
Kumar è entusiasta di quanto l’IGE Technology Accelerator ha da offrire. “Per noi, è perfettamente strategico”, ha detto Kumar, riferendosi al finanziamento 50.000 dollari per migliorare i prototipi, “concentrarci sulla ricerca con un partner strategico votato all’imprenditorialità. Kumar è fiducioso nelle innovazioni del team, che include la possibilità di sostituire le batterie a bottone con elementi sottili e stretti. Fare le giuste mosse ora è fondamentale per il successo dell’iniziativa commerciale”.
Oltre all’IGE Technology Accelerator, il team è stato recentemente selezionato per partecipare all’NSF Innovation-Corps (I-Corps) program at UC San Diego, anch’esso amministrato dall’Institute for the Global Entrepreneur. Uno dei principi chiave del programma I-Corps è quello di aiutare le startup a convalidare i mercati di destinazione e i modelli di business prima dell’inizio del processo di commercializzazione. Attraverso NSF I-Corps, per esempio, Kumar ha già avuto una serie di colloqui con potenziali clienti che hanno aiutato il team a concentrarsi meglio sulla strategia di commercializzazione.
