La batteria estensibile agli ioni di litio 2024 apre nuovi campi tecnologici

La batteria estensibile agli ioni di litio rappresenta un’innovazione significativa nel campo della tecnologia indossabile. Queste batterie sono progettate per essere flessibili e durevoli, rendendole ideali per un'ampia gamma di applicazioni, dagli smartwatch ai dispositivi medici. Poiché la domanda di dispositivi elettronici flessibili continua a crescere, queste batterie avanzate sono destinate a svolgere un ruolo cruciale nel futuro sia dell’elettronica di consumo che delle tecnologie sanitarie.

Stretchable lithium ion battery unlocks new tech fields - manly

Batteria agli ioni di litio estensibile: una nuova era nella tecnologia indossabile

Panoramica di mercato

Nel 2022, il mercato globale dell'estensibilebatterie agli ioni di litioè stato valutato a $ 175,7 milioni. Si prevede che questo mercato crescerà rapidamente a un tasso del 23,0% nel periodo di previsione. La crescente domanda di batterie estensibili in dispositivi indossabili come smartwatch e telefoni è un fattore importante che guida questa crescita. Queste batterie sono fondamentali per alimentare dispositivi adattivi che richiedono flessibilità, come essere pieghevoli, ruotabili e ultrasottili per resistere alla deformazione meccanica durante l'uso.

Applicazioni e vantaggi

L’elettronica estensibile, comprese queste batterie avanzate, svolge un ruolo fondamentale nel migliorare la funzionalità e l’esperienza dell’utente della tecnologia indossabile. Il loro design leggero e compatto li rende ideali per i dispositivi portatili, consentendo loro di adattarsi agli spazi disponibili e di ridurre il peso e le dimensioni dei prodotti. Queste batterie sono appositamente progettate per resistere alla flessione, allo stiramento e ad altre forze meccaniche, rendendole più durevoli rispetto alle tradizionali batterie rigide. Questa maggiore durata è particolarmente vantaggiosa per i dispositivi indossabili che subiscono movimenti e piegature regolari.

Progressi tecnologici

Si prevede che i recenti progressi nella tecnologia delle batterie elastiche agli ioni di litio stimoleranno la crescita del mercato. La crescente domanda di dispositivi indossabili avanzati, dispositivi elettronici impiantabili come pacemaker e dispositivi indossabili morbidi utilizzati in ambienti urbani ha suscitato interesse nella creazione di batterie con proprietà simili alla pelle e agli organi umani. Ad esempio, nel marzo 2022, un gruppo di ricerca coreano ha sviluppato una batteria al litio morbida, deformabile meccanicamente ed estensibile, adatta per dispositivi indossabili. Ne hanno testato il potenziale stampando la batteria sui vestiti. Questa batteria integra i materiali agli ioni di litio esistenti e raggiunge una densità di accumulo di energia di circa 2,8 mWh/cm², paragonabile alle batterie rigide agli ioni di litio disponibili in commercio che funzionano a 3,3 V o superiore.

Sfide e considerazioni

Nonostante i progressi promettenti, ci sono sfide nel mercato. La torsione ripetuta delle batterie flessibili può causare crepe negli strati degli elettrodi, portando alla rottura dei materiali attivi e ostacolando la crescita del mercato. Questo problema deriva principalmente dalla forza adesiva limitata tra i materiali degli elettrodi e i collettori di corrente. Inoltre, la torsione continua può aumentare la resistenza interna della batteria, influenzandone le prestazioni. Ci sono anche preoccupazioni riguardo alla batteria stessa; ad esempio, le pellicole di plastica di alluminio utilizzate nelle batterie al litio standard possono raggrinzirsi nelle batterie flessibili, causando potenzialmente perdite se gli strati degli elettrodi vengono perforati.

Batteria estensibile agli ioni di litio: innovazioni e applicazioni

La “Jelly Battery” dell’Università di Cambridge

Nel Regno Unito, i ricercatori dell’Università di Cambridge hanno sviluppato una nuova batteria estensibile agli ioni di litio ispirata alle anguille elettriche. L'hanno chiamata "batteria gelatina" per il suo design unico. Questa batteria imita la struttura a strati del tessuto dell'anguilla elettrica, che è flessibile e conduttivo.

L'autore principale Stephen O'Neill ha affermato in un comunicato stampa: "Progettare un materiale che sia allo stesso tempo altamente elastico e altamente conduttivo è impegnativo perché queste proprietà sono solitamente in conflitto". La batteria del team di Cambridge utilizza idrogel, che sono reti polimeriche contenenti oltre il 60% di acqua. Queste strutture possono allungarsi e ritornare alla loro forma originale senza perdere funzionalità.

Eccezionale elasticità e resilienza

Lo studio ha descritto la creazione di una rete poliionica supramolecolare con elevata elasticità (>1500%), comprimibilità (>90%) e rapido autorecupero. A causa dei legami reversibili formati dalle molecole dei composti, gli strati della batteria gelatinosa hanno una forte adesione.

L’articolo osservava: “La reticolazione supramolecolare consente ai campioni stratificati di allungarsi più di dieci volte la loro lunghezza iniziale prima di rompersi all’interfaccia”. Oren Scherman, professore e direttore del Melville Laboratory for Polymer Synthesis, ha sottolineato la possibilità di personalizzazione degli idrogel per adattarli alle proprietà meccaniche dei tessuti umani.

Potenziali applicazioni mediche

Il team dell'Università di Cambridge ha proposto che la loro batteria gelatinosa potesse essere impiantata nel cervello per la somministrazione di farmaci o per trattare condizioni come l'epilessia. Gli idrogel, privi di componenti metallici rigidi, hanno meno probabilità di essere rigettati dal corpo o di causare accumulo di tessuto cicatrizzato. Inoltre, gli idrogel mostrano una notevole tenacità, resistendo alla deformazione permanente sotto compressione e autoriparandosi quando danneggiati.

Implicazioni più ampie

Lo sviluppo di queste tecnologie è una priorità globale. Il Forum economico mondiale ha elencato le batterie flessibili come una delle “dieci migliori tecnologie emergenti del 2023”. Questi progressi sono destinati ad ampliare le possibilità dei dispositivi indossabili, delle applicazioni IoT, degli smartphone flessibili e delle interfacce cervello-computer (BCI).

Innovazioni nella tecnologia delle batterie agli ioni di litio estensibili

Elevata flessibilità e durata

Un team dell’Università di Nanchino in Cina ha sviluppato una batteria agli ioni di litio estensibile che rimane altamente efficiente dopo 70 cicli di ricarica e può allungarsi fino al 5000%. Questa innovazione soddisfa la crescente domanda di batterie nell’elettronica estensibile, garantendo flessibilità e durata. I monitor sanitari indossabili e altri dispositivi elettronici flessibili richiedono queste caratteristiche deformabili.

Avanzamenti strutturali

Quando pensiamo alle batterie, di solito non le consideriamo flessibili. Tuttavia, affinché l’elettronica estensibile funzioni in modo efficace, anche le batterie devono essere in grado di piegarsi e allungarsi. La maggior parte dei tentativi di creare tali batterie ha comportato la piegatura di parti rigide in forme elastiche o l’utilizzo di tessuti conduttivi. Ma affinché una batteria sia veramente estensibile, ogni componente – gli elettrodi che raccolgono la carica e lo strato elettrolitico intermedio che bilancia la carica – deve essere elastico.

Processo di fabbricazione

Per realizzare gli elettrodi per una batteria completamente elastica, il team ha applicato una pellicola sottile di pasta conduttiva contenente nanofili d’argento, nerofumo e materiali a base di litio su una superficie piana. Quindi, hanno aggiunto uno strato di polidimetilsilossano (PDMS), un materiale flessibile spesso utilizzato nelle lenti a contatto. Oltre a ciò, hanno aggiunto sali di litio, un liquido ad alta conduttività e ingredienti per formare un polimero elastico. Sotto esposizione alla luce, questi componenti si sono uniti per creare un robusto strato di gomma che potrebbe allungarsi fino al 5000% della sua lunghezza originale e condurre ioni di litio. L'intero assieme è stato poi sigillato con un'altra pellicola di elettrodi e protetto da uno strato esterno.

Confronto delle prestazioni

La nuova batteria estensibile a stato solido ha notevolmente sovraperformato i design tradizionali che utilizzano elettroliti liquidi. Ha mostrato un aumento di sei volte della capacità di carica media durante la ricarica rapida e ha mantenuto una capacità stabile su 67 cicli di carica-scarica. In altri prototipi che utilizzavano elettrodi solidi, l’elettrolita polimerico è rimasto stabile per oltre 1.000 cicli, con un calo di capacità solo dell’1% nei primi 30 cicli rispetto a un calo del 16% nelle batterie con elettrolita liquido.

Batteria estensibile agli ioni di litio: applicazioni e approfondimenti di mercato

Elettronica indossabile

La batteria estensibile agli ioni di litio rappresenta un punto di svolta per il mercato dell’elettronica indossabile. Queste batterie possono piegarsi, torcersi e flettersi in sincronia con i dispositivi che alimentano, offrendo un'esperienza utente fluida e confortevole. I dispositivi indossabili come smartwatch e fitness tracker traggono grandi vantaggi da queste batterie poiché possono facilmente adattarsi alla forma del corpo di chi li indossa, garantendo una vestibilità comoda con un peso aggiunto minimo. Questo design leggero è fondamentale per il comfort dell'utente, soprattutto durante l'uso prolungato.

Dispositivi medici

Nel settore sanitario, si prevede che le batterie elastiche agli ioni di litio favoriranno una crescita significativa. Queste batterie hanno il potenziale per rivoluzionare i dispositivi medici consentendo lo sviluppo di componenti elettronici flessibili e impiantabili. Ad esempio, possono essere integrati in bende e sensori intelligenti per monitorare la guarigione delle ferite, rilevare infezioni e trasmettere rapidamente dati vitali agli operatori sanitari. Inoltre, la loro flessibilità li rende ideali per dispositivi impiantabili come pacemaker e stimolatori neurali, riducendo il disagio e minimizzando il rischio di danni ai tessuti circostanti.

Approfondimenti regionali

L’elettronica estensibile sta vedendo una rapida adozione in diverse regioni. Si prevede che il Nord America deterrà la quota di mercato maggiore grazie alla partecipazione attiva dei principali attori della regione. Ad esempio, il 31 luglio 2023, i ricercatori dell’Università di Houston hanno creato un prototipo di batteria agli ioni di litio completamente elastica basata su tessuto. Questo approccio innovativo converte gli elettrodi rigidi della batteria in elettrodi flessibili ed estensibili, migliorando il potenziale di dispositivi indossabili e biosensori impiantabili. L'uso del tessuto conduttivo in argento consente alla batteria di piegarsi e allungarsi mantenendo la conduttività elettrica.

Nella regione Asia-Pacifico, la domanda di batterie estensibili agli ioni di litio sta crescendo rapidamente. Il 31 ottobre 2022, i ricercatori dell’Università giapponese di Hokkaido hanno sviluppato una pellicola da imballaggio elastica con elevate capacità di barriera ai gas e all’umidità, che consente alle batterie flessibili di funzionare in modo affidabile nell’aria. Questo progresso evidenzia l’impegno della regione nello sviluppo di batterie altamente flessibili per dispositivi indossabili.

Si prevede inoltre che l’Europa vedrà una sostanziale crescita del mercato grazie ai maggiori investimenti da parte delle organizzazioni. Ad esempio, il 28 aprile 2022, Volkswagen e BP hanno stretto un’alleanza strategica per promuovere l’adozione diffusa dei veicoli elettrici in tutta Europa. Hanno presentato il loro primo caricabatterie a Düsseldorf, in Germania, con l’obiettivo di costruire una rete di ricarica rapida entro il 2024. Questa iniziativa probabilmente stimolerà la domanda di tecnologie avanzate per le batterie, comprese le batterie estensibili agli ioni di litio, per supportare il crescente mercato dei veicoli elettrici.

Queste innovazioni e sviluppi regionali indicano un futuro promettente per le batterie estensibili agli ioni di litio, in particolare nel miglioramento della funzionalità e dell’esperienza dell’utente dei dispositivi elettronici indossabili e dei dispositivi medici.

Conclusione

In conclusione, i progressi nella tecnologia delle batterie elastiche agli ioni di litio sono pronti a rivoluzionare vari settori. Dal miglioramento della funzionalità e del comfort dei dispositivi indossabili alla fornitura di nuove soluzioni per impianti medici, queste batterie offrono vantaggi significativi. Poiché la ricerca e lo sviluppo continuano a progredire, le potenziali applicazioni per queste fonti di energia flessibili e durevoli non faranno altro che espandersi, determinando ulteriore crescita e innovazione nel mercato dell’elettronica estensibile.

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