Le batterie agli ioni di litio sono ormai parte integrante della nostra vita quotidiana, dalle automobili elettriche agli smartphone. Questi sistemi di accumulo di energia richiedono di essere contenuti in involucri rigidi per prevenire danni e garantire la sicurezza, proteggendo gli elettroliti altamente infiammabili e tossici dall’aria. Tuttavia, questa rigidità rende difficile l’applicazione in dispositivi innovativi come robot morbidi o indossabili. A questo ha pensato un team di scienziati dell’Università della California, Berkeley, sviluppando una batteria flessibile e non tossica, simile a una gelatina, in grado di resistere a piegamenti, torsioni e persino tagli.
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Le sfide delle batterie flessibili
La realizzazione di batterie flessibili con elettroliti a base di idrogel non è una novità nel campo della ricerca, ma i risultati precedenti hanno presentato notevoli limiti. Come afferma Liwei Lin, professore di ingegneria meccanica e autore principale dello studio, “tutte queste batterie potevano funzionare solo per un breve periodo di tempo, a volte poche ore, a volte pochi giorni”. Contrariamente, la batteria sviluppata dal team di Lin è riuscita a sopportare ben 500 cicli di carica completi, una cifra simile a quella delle batterie tipiche degli smartphone.
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Sicurezza e praticità nel design
Le batterie attuali necessitano di un involucro rigido a causa della pericolosità degli elettroliti tradizionali. Lin spiega che l’obiettivo del team era di creare una batteria sicura da operare senza un involucro rigido. Tuttavia, l’uso di materiali polimerici flessibili comporta rischi di penetrazione da parte di aria o acqua, che potrebbero reagire con gli elettroliti standard generando calore e potenzialmente provocando incendi ed esplosioni. Nel 2017, gli scienziati hanno cominciato a sperimentare con elettroliti a base di idrogel quasi solidi, un approccio che ha portato dei miglioramenti.
Questi idrogel sono composti da una rete polimerica che ne definisce la forma, legami incrociati come il borace o legami idrogeno che mantengono la rete coesa, e una fase liquida costituita da acqua e sali o altri additivi elettrolitici che consentono la conduzione ionica durante la carica e la scarica.
Problemi di stabilità e sicurezza
Tuttavia, gli idrogel presentano delle problematiche. La principale è una finestra di stabilità elettrochimica relativamente ristretta, ovvero il range di tensione a cui la batteria può essere esposta senza subire danni. Peisheng He, ricercatore al Berkeley Sensor and Actuator Center e coautore dello studio, chiarisce: “Oggi le batterie operano generalmente a 3,3 volt, quindi la loro finestra di stabilità deve essere superiore a quella, probabilmente attorno ai quattro volt”. L’acqua, che è il componente principale di questi elettroliti, tende a decomporre in idrogeno e ossigeno quando esposta a tensioni superiori a 1,2 volt.
Per affrontare questo problema, i ricercatori hanno utilizzato acqua salata altamente concentrata, carica di sali di litio fluorurati, per migliorare la stabilità dell’elettrolita. Tuttavia, questo ha sollevato nuovi problemi di sicurezza, poiché i sali di litio fluorurati sono estremamente tossici per gli esseri umani.
Con queste innovazioni, l’Università della California sta aprendo la strada a nuove possibilità nell’uso delle batterie flessibili, rendendole potenzialmente applicabili in un’ampia gamma di settori, da dispositivi indossabili per il monitoraggio della salute a robotica avanzata.
