Nuove batterie per i dispositivi wearable

Con l'emergere di applicazioni per l'elettronica flessibile ed estensibile, è diventata evidente la necessità di integrare dispositivi di immagazzinamento dell'energia incorporati e convenienti che possano sopportare la deformazione, pur mantenendo prestazioni e sicurezza. In particolare, le batterie estensibili hanno suscitato un interesse significativo per alimentare sistemi quali dispositivi indossabili, pelle elettronica, sensori di deformazione, e dispositivi medici impiantabili. Sulla base del lavoro riportato sui dispositivi di immagazzinamento dell'energia estensibili e flessibili e sulle applicazioni proposte, le batterie sono state classificate in due gruppi principali: batterie deformabili unidirezionali (pieghevoli), con gli ioni di litio come chimica dominante spesso ricercata per l'alta potenza e applicazioni di capacità (>100 mAh), e batterie deformabili omnidirezionali (morbide), adatte ad applicazioni di bassa potenza e capacità (<10 mAh), dove sono richieste alta comodità, sicurezza e compatibilità medica. In questo articolo parleremo dei risultati di un team di ricercatori dell'Università British Columbia nel campo delle batterie pieghevoli.

Negli ultimi anni sono stati fatti progressi nello sviluppo di varie configurazioni strutturali e di componenti interni estensibili, tra cui elettrodi, elettroliti, collettori di corrente e membrane di separazione. Ciò che mancava fino ad ora era lo sviluppo di un imballaggio estensibile. Tale materiale di incapsulamento dovrebbe offrire una barriera allo scambio di gas e liquidi per minimizzare il trasporto molecolare dentro e fuori la batteria, basso modulo per massimizzare la conformabilità quando integrato con l'elettronica estensibile e compatibilità con i componenti della batteria e biocompatibilità, in particolare nelle applicazioni in cui è applicabile l'integrazione senza soluzione di continuità del dispositivo e del corpo umano. Inoltre, dovrebbe essere facilmente fabbricabile, preferibilmente utilizzando i processi di produzione esistenti, e robusta meccanicamente e chimicamente durante la vita del dispositivo, anche sotto deformazione meccanica e durante il lavaggio.

La ricerca sulle batterie intrinsecamente estensibili, fino ad oggi, ha utilizzato il polidimetilsilossano (PDMS), l'Ecoflex, il poliuretano (PU), e la gomma butilica come materiale da imballaggio. Nonostante l'elevata biocompatibilità ed elasticità, la cella PDMS esibisce una limitata capacità di deformazione meccanica; Ecoflex e PU offrono biocompatibilità e grande deformazione, tuttavia, dimostrano una significativa permeabilità all'acqua, influenzando la durata del ciclo e rilasciando materiali che potrebbero non essere compatibili con la pelle o il corpo umano. La gomma butilica, pur essendo ampiamente utilizzata come un eccellente sigillante, grazie alla sua bassa permeabilità ai gas e all'umidità, esibisce una bassa resilienza. Nello studio di Nguyen et al., viene esplorato l'uso di poli (stirene-isobutilene-stirene) (SIBS), un copolimero termoplastico triblock ampiamente utilizzato in applicazioni biomediche per fabbricare una batteria secondaria di biossido di zinco manganese (Zn-MnO2) allungabile in acqua. Oltre all'alta stabilità chimica e biocompatibilità, SIBS offre tra le più basse permeabilità all'umidità di qualsiasi elastomero, a causa della distribuzione controllata di unità di isoprene e butadiene monomero nel suo mid-block. La chimica ecologica Zn-MnO2 è stata scelta per la sua efficacia dei costi, l'alta densità di energia, la bassa tossicità e la grande sicurezza.

Realizzazione di una batteria estensibile

La batteria comprende: 1) collettori di corrente fatti da un composto di carbonio/nanofibra di carbonio/SIBS, che offre una buona conducibilità anche dopo molteplici cicli di stiramento al 100% di deformazione, 2) separatore poroso SIBS altamente estensibile e ionicamente conduttivo che ha una buona conducibilità ionica, 3) compositi anodo e catodo contenenti materiali attivi (Zn e MnO2)/nero di carbonio/SIBS, e uno strato di imballaggio SIBS che permette alla cella di continuare a funzionare per due anni in condizioni ambientali, e di resistere al lavaggio.

La fabbricazione delle fibre

La fabbricazione di conduttori conduttivi ed estensibili è una sfida chiave nello sviluppo di dispositivi estensibili di stoccaggio dell'energia. Miscele di polimeri come Ecoflex e poli (stirene-co-isoprene-co-styrene) con nerofumo (CB) e nanotubi di carbonio (CNT), riportati come conduttori intrinseci comunemente usati nelle batterie estensibili, mostrano una resistenza di foglio da 150 a 400 Ω (ohm per quadrato) rispettivamente. L'introduzione di materiali a base metallica (ad esempio, microfiocchi d'argento, nano maglie d'oro, e nanofili d'argento) riduce significativamente il valore a un intervallo da 0,53 a 15 Ω. Tuttavia, la resistenza del foglio tende ad aumentare sostanzialmente durante l'allungamento. Il miglior collettore di corrente estensibile, finora, è un composito a doppio strato composto da nanostrati di oro, polistirene e fiocchi di argento. Ricordiamo che la resistenza di foglio è la misura di resistenza di film sottili nominalmente uniformi in spessore; comunemente è utilizzata per caratterizzare materiali dopati come semiconduttori, deposizioni in metallo e rivestimenti di vetro. Si usa l'unità ohm per quadrato, di dimensioni uguale all'ohm, per specificare che si tratta della resistenza di un foglio; l'unità di misura è infatti utilizzata solo in questo particolare caso.

Il nuovo materiale ha una composizione data dal copolimero a blocchi SIBS altamente estensibile mescolato con nero di carbonio altamente conduttivo/nanofibre di carbonio (CB/CNF); si tratta quindi di un collettore di corrente intrinsecamente estensibile con un'eccellente capacità di cicli meccanici e buone proprietà elettriche. Grandi crepe sono osservate sulla superficie dopo l'indurimento, rendendo questa miscela inutilizzabile. Si è reso quindi necessario regolare il rapporto di peso degli additivi, per mantenere un equilibrio appropriato tra conducibilità e allungabilità. La microscopia elettronica a scansione (SEM) è usata per indagare le morfologie dei conduttori. Esaminare i cambiamenti di resistenza e la risposta meccanica dei conduttori estensibili aderiti allo strato SIBS è cruciale. La resistenza di ogni campione è misurata sotto sforzo graduale imposto fino al 100%. La miscela mostra un massimo di aumento della resistenza dell'80%, sotto la deformazione applicata. Ha quindi una minore resistenza rispetto agli altri campioni. La resistenza elettrica, invece, legata ad uno strato SIBS, aumenta di circa 1,8 volte (da 15 Ω a 27 Ω) dopo 500 cicli al 100% di deformazione. Le immagini al SEM della superficie prima dell'allungamento, dopo l'allungamento e allungato al 100%, dimostrano che non ci sono crepe evidenti o delaminazione materiale attiva dalla superficie del collettore di corrente.

La membrana estensibile del separatore

Lo sviluppo di separatori estensibili con alta porosità e capacità di isolamento elettrico è essenziale per la fabbricazione di batterie estensibili. Ci sono molti parametri che influenzano la struttura dei pori della membrana (per esempio porosità, dimensione dei pori, e distribuzione dei pori) ma per la formazione sono tre i fattori chiave: miscibilità, differenze di velocità di evaporazione, e la concentrazione della soluzione. Nel lavoro di Nguyen et al., viene proposto un processo di separazione di fase scalabile e semplice per preparare una membrana SIBS estensibile altamente porosa attraverso la separazione di fase indotta dall'evaporazione del solvente. Utilizzando questo metodo, la separazione di fase avviene per evaporazione del solvente in una miscela di un polimero disciolto in un solvente volatile e un non-solvente meno volatile. Si tratta della prima fabbricazione di un separatore estensibile con questo metodo. Il processo di fabbricazione del separatore SIBS, compresa la preparazione della miscela, le fasi di fusione e il meccanismo di formazione dei pori, è mostrato nella Figura 1.

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