Batterie ricaricabili di tipo adesivo

Un team di ricerca congiunto degli enti di ricerca KIER, KAIST, PNU, NTU ha sviluppato un dispositivo di accumulo di energia di tipo adesivo ad alte prestazioni.

Il dottor Yoon Hana del laboratorio di conversione dell'energia e materiali di stoccaggio dell'Istituto coreano di ricerca energetica (KIER, presidente Kim Jong-nam), il professor Kim Young-Jin del dipartimento di ingegneria meccanica, Istituto avanzato di scienza e tecnologia della Corea e il professor Kim Seungchul del Dipartimento di Ottica e Ingegneria Meccatronica, Università Nazionale di Pusan, hanno sviluppato congiuntamente micro-supercondensatori (MSCs) ri-attaccabili* utilizzando elettrodi di grafene indotti dal laser. I loro risultati di ricerca sono stati divulgati nel Chemical Engineering Journal* (1).

Con l'aumentare della domanda di dispositivi indossabili più leggeri e più piccoli e gadget IoT altamente funzionali, cresce la necessità di nuove tecnologie per la raccolta, lo stoccaggio e la gestione dell'energia. Oggigiorno dispositivi indossabili e prodotti IoT sono sempre più applicati a vari settori della società. Pertanto, gli scienziati stanno attivamente svolgendo mansioni di ricerca e sviluppo per mettere a punto dispositivi di accumulo di energia con funzioni aggiuntive oltre all'alimentazione.

Prerequisiti dei dispositivi indossabili di accumulo dell'energia dovrebbero includere la possibilità di adattare la loro geometria alle mutevoli forme del corpo umano e dei movimenti pur essendo flessibili, sicuri da usare e offrire una durata eccellente. In passato, le batterie convenzionali non erano flessibili in quanto sviluppate per avere una struttura di base cilindrica, prismatica o a sacchetto e con densità di energia limitate. In pratica, le batterie convenzionali hanno alcune limitazioni se applicate ai prodotti di prossima generazione come dispositivi indossabili o micro-dispositivi che richiedono elevata flessibilità, portabilità e densità di energia areale o volumetriche.

In passato, gli sforzi di ricerca e sviluppo per la creazione di dispositivi di accumulo di energia per dispositivi indossabili sono stati effettuati principalmente su batterie Li thin-film. Tuttavia, queste batterie, che sono fonti di energia ampiamente e commercialmente disponibili per la microelettronica, hanno delle limitazioni: soffrono di brevi cicli di vita; guasti improvvisi; cinetica instabile a bassa temperatura; pongono problemi di sicurezza se associati al litio.

Di recente, il super condensatore ultra sottile a base di film sottile (MSCs) sta guadagnando grande attenzione come dispositivo di accumulo di energia di prossima generazione per sostituire le batterie Li thin-film. In linea di principio, i super condensatori erano semi permanenti da usare e presentavano numerosi vantaggi come densità di potenza elevata (10 volte superiore rispetto alle batterie agli ioni di litio), stabilità, efficienza e velocità di carica / scarica elevate. Tuttavia, il loro ambito di utilizzo era in qualche modo limitato ad alcune aree a causa di una bassa densità di energia per carico (che è stata stimata come 1/10 delle batterie Li thin-film). Rispetto ai supercondensatori, gli MSCs hanno una densità di potenza significativamente maggiore rispetto alle batterie al litio e le densità di energia sono simili o addirittura superiori rispetto ai loro concorrenti. Pertanto, sono considerati un'alternativa ai dispositivi di accumulo di energia ultra-sottili ad alte prestazioni.

Il team di ricerca ha sviluppato con successo super condensatori ultra sottili a base di film sottili (MSCs) flessibili di tipo adesivo aventi una struttura dinamica. Si possono attaccare ovunque su oggetti o superfici utilizzando laser a impulsi ultracorti. Questa tipologia di laser può generare all'istante una forte intensità per produrre elettrodi di grafene altamente dilatati. Impregnando i composti polimerici adesivi all'interno di grafene altamente dilatato, i ricercatori sono riusciti a sviluppare dei MSCs di tipo adesivo con eccellenti prestazioni e durata degli elettrodi capaci di mantenere l'adesività.

La dopamina, una imitazione funzionale della proteina adesiva del mitilo, è stata introdotta come materiale di rivestimento per i MSCs flessibili di tipo adesivo con l'obiettivo di migliorare le prestazioni elettrochimiche. I gruppi catecolici della dopamina forniscono porzioni redox-attive per elettrodi pseudocapacitivi. In tal modo, gli scienziati sono riusciti a sviluppare dispositivi di accumulo di energia flessibile di tipo adesivo con elevate densità di energia volumetrica simili a quelle delle batterie al litio a film sottile con un'eccellente densità di potenza volumetrica, 13 volte maggiore di quella delle loro controparti.

La dottoressa Hana Yoon di KIER, la principale investigatrice di questo studio, ha dichiarato: «I nostri MSCs flessibili, di tipo adesivo, sono facilmente ricollegabili a dispositivi indossabili di prossima generazione e gadget IoT ed ecologici. Si prevede che risolvano molti ostacoli di tecnologie di accumulo di energia al litio.»

Inoltre, il professore di KAIST, Young-jin Kim, un co-ricercatore di questo studio, ha dichiarato: «La tecnologia di modellazione sviluppata da questo studio ha generato grafene dilatato unico con laser a impulsi ultracorti in un periodo di tempo relativamente breve, riducendo al minimo la perdita di materiali. Questa tecnologia ha il potenziale per promuovere applicazioni industriali del grafene indotto da laser in vari settori.»

I ricercatori hanno completato le domande di brevetto sia in patria che all'estero. Il team di ricerca congiunto tra KIER, KAIST, PNU, NTU sta attualmente lavorando a studi di follow-up come leader nella ricerca e sviluppo di materiali e dispositivi di accumulo di energia di prossima generazione.

* Gli MSCs sono supercondensatori ultra sottili a base di film sottile che stanno ricevendo molta attenzione in quanto sono più stabili con una potenza e densità di energia più elevate rispetto alle batterie Li thin-film.

* Il Chemical Engineering Journal è considerato una delle migliori riviste internazionali nel settore dell'ingegneria chimica (pubblicato da Elsevier, SCI I.F. 8.355)

Riferimenti:

(1) Attachable micropseudocapacitors using highly swollen laser-induced-graphene electrodes

Descrizione foto: batterie ricaricabili riaccessibili e flessibili disponibili per l'uso in dispositivi flessibili / indossabili di prossima generazione. - Credit: Korea Institute of Energy Research (KIER).

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Development of attachable sticker-type rechargeable batteries