Gli schermi possono ora piegarsi – perché non le batterie?

Uno dei punti di attrazione più discussi al Mobile World Congress di quest’anno è stata la dimostrazione del concetto di telefono pieghevole di Motorola. Il telefono poteva avvolgersi attorno al polso di una persona.

Sebbene gli schermi dei telefoni completamente flessibili esistano da tempo, il telefono concettuale di Motorola – pieghevole – era di un’altra categoria.

Non solo era uno smartphone flessibile a grandezza naturale con fotocamera, ma disponeva di un’IA generativa integrata che poteva creare una combinazione di colori in armonia con l’abbigliamento dell’utente in 10 secondi. 

Mentre i telefoni pieghevoli stanno emergendo, oggi discuteremo lo scenario delle batterie. La domanda è: se gli schermi possono ora piegarsi, perché non le batterie?

In un recente sviluppo, ricercatori di ACS Energy Letters hanno segnalato una batteria al litio con componenti completamente allungabili, incluso uno strato elettrolitico che può espandersi fino al 5000%.

Il lato positivo della batteria è che le sue proprietà di allungabilità non compromettono le prestazioni, poiché può mantenere la capacità di immagazzinamento della carica dopo quasi 70 cicli di carica/scarica. 

Nelle sezioni seguenti, esamineremo più in dettaglio le proprietà di questa batteria. 

Batterie pieghevoli e allungabili per potenziare i dispositivi elettronici con le stesse proprietà

La ricerca attuale rappresenta una svolta in questo ambito. Fino ad oggi, i tentativi di costruire batterie pieghevoli e allungabili hanno cercato di utilizzare tessuti conduttivi intrecciati o componenti rigidi piegati in forme espandibili, come avviene nell’arte giapponese dell’origami. 

Tuttavia, questa tecnica presenta un problema, poiché una batteria veramente malleabile richiede elasticità in ciascuna delle sue parti, inclusi gli elettrodi che raccolgono la carica e i componenti di bilanciamento della carica nello strato elettrolitico centrale. 

Ma nessuno dei prototipi finora osservati presenta un’elasticità completa. Invece, hanno un’elasticità moderata e comportano un processo di assemblaggio complesso, ulteriormente limitato da una capacità di immagazzinamento dell’energia ridotta, soprattutto quando utilizzati a lungo con cicli ripetuti di carica e scarica.

Il problema dell’inefficienza di carica deriva dalla debole connessione tra lo strato elettrolitico e gli elettrodi. Inoltre, l’elettrolita fluido potrebbe risultare instabile, facendo muovere il liquido quando la batteria cambia forma. 

Il team ha analizzato questi problemi e ha elaborato soluzioni.

Soluzioni innovative per ottenere un’elasticità completa

Il team ha pensato di utilizzare l’elettrolita in uno strato polimerico fuso tra due film elettrodici flessibili per creare una batteria completamente solida e allungabile. 

Per gli elettrodi, il team ha ideato una strategia di stendere un sottile film di pasta conduttiva contenente nanofili d’argento, carbonio nero e materiali catodici o anodici a base di litio su una piastra.

Successivamente, hanno applicato uno strato di polidimetilsilossano, un materiale flessibile comunemente usato nelle lenti a contatto, sopra la pasta.

Infine, sopra tutto, i ricercatori hanno applicato un sale di litio, un liquido ad alta conduttività, e gli ingredienti per creare un polimero allungabile.

Quando tutti questi, impilati in più strati, sono stati attivati dalla luce, i componenti si sono combinati formando uno strato solido e gommoso che può allungarsi fino al 5000% della sua lunghezza originale senza problemi nel trasporto degli ioni di litio.

L’intero dispositivo è stato sigillato con un rivestimento protettivo, e lo stack, come accennato in precedenza, includeva uno strato aggiuntivo di film elettrodico.

I ricercatori hanno confrontato la loro soluzione con quelle esistenti sul mercato che mirano allo stesso scopo. I risultati del confronto sono stati i seguenti: 

Confronto tra il nuovo design di batteria solida e allungabile e i dispositivi alimentati da elettrolita liquido tradizionale

• La nuova versione offriva una capacità di carica media sei volte superiore con una velocità di ricarica rapida. 
• La nuova soluzione poteva mantenere una stabilità aumentata durante 67 cicli di carica e scarica.
• L’elettrolita polimerico ha funzionato in modo costante per oltre 1000 cicli, con una diminuzione della capacità dell’1% nei primi 30 cicli. In una soluzione di elettrolita liquido, la diminuzione era fino al 16%. 

I ricercatori credono che, sebbene rimanga molto da raggiungere, la ricerca e i suoi risultati rappresentino un passo altamente positivo e promettente verso la creazione di dispositivi indossabili o impiantabili che si flettono e si muovono con il corpo.

Mentre le istituzioni di ricerca fungono sempre da agenti pionieristici per l’evoluzione di qualsiasi settore, non tutte le innovazioni si dimostrano fattibili per le applicazioni reali. Le innovazioni devono avere un elemento di applicabilità e devono anche essere favorevoli all’adozione in un paradigma operativo su larga scala. 

Nel 2019, un altro team di ricercatori del Johns Hopkins Applied Physics Laboratory ha sviluppato una batteria al litio flessibile in grado di operare in condizioni estreme come taglio, immersione e impatto balistico simulato. I ricercatori hanno inoltre garantito che le batterie fossero incombustibili. 

“Water-In-Salt” e “Water-In-Bisalt” elettroliti per batterie flessibili incombustibili

I ricercatori hanno offerto nuove intuizioni grazie alla scoperta di una nuova classe di elettroliti “water-in-salt” e “water-in-bisalt”—denominati WiS e WiBS—che, quando incorporati in una matrice polimerica, possono ridurre l’attività dell’acqua e aumentare le capacità energetiche e il ciclo di vita della batteria.

Allo stesso tempo, il meccanismo ha liberato la configurazione della batteria dalla infiammabilità, tossicità e solventi altamente reattivi presenti. Il risultato è stato una batteria flessibile, sicura e potente. 

Secondo Konstantinos Gerasopoulos del Dipartimento di Ricerca e Sviluppo Esplorativo di APL, che ha anche guidato la ricerca:

“Le batterie al litio sono già una presenza costante nella nostra vita quotidiana, dai nostri telefoni alle nostre auto, e continuare a migliorarne la sicurezza è fondamentale per far progredire ulteriormente la tecnologia di accumulo energetico.”

Spiegando l’importanza della ricerca, ha affermato:

“Il nostro recente articolo mostra una migliore usabilità e prestazioni delle batterie al litio a base d’acqua e polimero flessibile che possono essere costruite e operate all’aria aperta.”

Mentre la ricerca in corso ha offerto molte innovazioni, alcune aziende sono state costanti nella produzione di batterie flessibili per dispositivi elettronici. 

#1. Samsung

Più di quattro anni fa, un brevetto aggiunto al database dell’Organizzazione Mondiale della Proprietà Intellettuale (WIPO) mostrava che Samsung aveva sviluppato una batteria pieghevole per alimentare telefoni della stessa natura. La batteria brevettata era progettata con strati che permettevano a una delle sue celle di collegarsi a un’altra tramite una giunzione flessibile. Questa connessione flessibile attraversava la parte cerniera del dispositivo, eliminando la necessità di due batterie solide separate. 

Il brevetto, secondo i rapporti, riguardava la produzione di batterie che potessero adattarsi alla serie Galaxy Fold dell’azienda. Il successo della soluzione batterica significava che l’azienda non doveva preoccuparsi di produrre due componenti convenzionali separati. Invece, una cella poteva fluire nella successiva attraverso la cerniera del dispositivo grazie alla sua striscia centrale di collegamento.

Il brevetto affermava che la cerniera fosse composta da “materiale di base”, “strati di miscela” e “separatori isolanti”. Secondo gli esperti, il meccanismo consentiva agli strati attivi di carica nelle celle di interagire mentre potevano alimentare il telefono tramite un modulo di circuito di protezione unificato (PCM) e collegarsi alla scheda principale.

Il Samsung Galaxy Z Fold 6 è già sul mercato, il che implica che la tecnologia di batteria pieghevole di Samsung ha avuto successo. Il telefono è dotato di un enorme display OLED da 7,6 pollici e può supportare la navigazione web continua su 5G (in questo caso, T-Mobile), con la luminosità del display impostata a 150 nit. 

Secondo una recensione del dispositivo, il telefono ha registrato una media di 10 ore e 35 minuti in quattro test, superando i tempi di utilizzo del Google Pixel Fold (10:21) ma rimanendo al di sotto del OnePlus Open (11:31). 

Nel dare la sua opinione sulla capacità della batteria della serie Fold, il recensore – in sintesi – ha affermato:

“Nell’uso quotidiano, ho trovato che lo Z Fold 6 offra una durata della batteria abbastanza buona. Con un uso misto, l’indicatore della batteria scende tipicamente al 20%‑25% verso le 20:00, momento in cui devo comunque collegare il caricatore. Tuttavia, vorrei certamente più autonomia in quei giorni in cui viaggio o utilizzo costantemente Slack.”

Nel complesso, l’impegno di Samsung nelle batterie per telefoni pieghevoli, flessibili o piegabili può essere considerato un successo, con possibilità di miglioramento, come sempre.

Dal punto di vista finanziario, Samsung Electronics ha recentemente riportato i risultati finanziari del primo trimestre del 2024, mostrando una crescita significativa in vari settori. L’azienda ha raggiunto un fatturato consolidato di 71,92 trilioni di KRW ($52,08 miliardi), segnando un aumento del 13% rispetto allo stesso periodo dell’anno precedente. L’utile operativo è aumentato del 933% a 6,61 trilioni di KRW ($4,78 miliardi), guidato principalmente da vendite robuste nelle divisioni dei chip di memoria e degli smartphone. La divisione smartphone ha registrato risultati impressionanti, con la serie Galaxy S24 che ha contribuito in modo significativo al fatturato e all’utile operativo.

#2. Jenax

Un’altra azienda che ha svolto lavori pionieristici nel campo della piegabilità o allungabilità delle batterie è Jenax. Uno dei suoi prodotti di punta più innovativi è J.Flex, la batteria al litio ricaricabile, flessibile, a stato solido e a ricarica rapida di Jenax.

L’azienda afferma che il suo prodotto può piegarsi completamente e muoversi con il dispositivo senza sacrificare la potenza. Per quanto riguarda le sue applicazioni, la batteria si rivolge a un ampio settore, inclusi dispositivi indossabili IT, wearables per salute e fitness, moda e settore militare. 

Le batterie J.Flex possono essere piegate o arrotolate per aumentare la flessibilità dei dispositivi di nuova generazione. Anche con piegature dinamiche costanti, possono mantenere la stessa efficienza e capacità del livello di riferimento non piegato. 

J.Flex supporta la personalizzazione poiché un designer può ora pensare senza esitazioni a creare nuove forme e dimensioni — non disponibili in precedenza — senza sacrificare le prestazioni. La batteria è inoltre conforme alle norme internazionali per garantire la sicurezza in tutte le applicazioni.

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Piegala come una batteria: tendenze future nella piegabilità delle batterie. 

Il volume di ricerca in corso in questo settore rende lo spazio promettente per la crescita. Le aziende stanno diventando sempre più innovative nei design dei loro gadget elettronici. Immaginano nuove estetiche, creando una domanda di proprietà di piegabilità, allungabilità e flessibilità nelle batterie che alla fine alimenteranno i loro dispositivi. 

Mentre abbiamo già esaminato due studi di ricerca che portano il testimone avanti, concluderemo la discussione di oggi esaminando un altro che potrebbe essere ricco di applicazioni nei prossimi giorni. Un team di ricercatori dell’Università di Houston ha progettato e sviluppato un prototipo di batteria al litio completamente allungabile basata su tessuto.

I ricercatori hanno utilizzato tessuto d’argento conduttivo come piattaforma e collettore di corrente, dimostrandosi una svolta. Spiegando cosa la ricerca avesse realizzato e quale fosse la sua importanza, Haleh Ardebili, Bill D. Cook Professor of Mechanical Engineering at UH, che ha guidato la ricerca, ha dichiarato:

“Sembrava il passo successivo naturale creare e integrare batterie allungabili con dispositivi e abbigliamento allungabili. Immaginate di piegare, piegare o allungare il vostro laptop o telefono nella tasca o di utilizzare sensori interattivi incorporati nei nostri vestiti che monitorano la nostra salute.”

Non solo la ricerca ha il potenziale di aprire nuove frontiere nell’uso delle batterie nella nostra vita quotidiana, ma ha anche corretto un limite fondamentale che esisteva fino ad ora: il problema della rigidità. 
Proprio come la ricerca del Johns Hopkins del 2019, i ricercatori dell’UH hanno trasformato gli elettrodi rigidi delle batterie al litio in elettrodi indossabili, basati su tessuto, flessibili e allungabili, con elettrolita polimerico solido.

Secondo Ardebili:

“L’elettrodo della batteria deve consentire il movimento sia degli elettroni sia degli ioni.”

Questa esigenza può essere soddisfatta in modo efficiente con l’uso di tessuto d’argento intrecciato, poiché può deformarsi o allungarsi meccanicamente e fornire comunque “percorsi di conduzione elettrica necessari al corretto funzionamento dell’elettrodo della batteria”.

Mentre la tecnologia della batteria era ancora nelle fasi iniziali di test, i ricercatori potevano immaginare la sua applicabilità in tute spaziali intelligenti, elettronica di consumo integrata in indumenti che monitorano la salute delle persone e dispositivi che interagiscono con gli esseri umani a vari livelli. Tuttavia, come tutte le invenzioni, la sua fattibilità dipendeva anche dalla scalabilità della produzione, dalla gestione della struttura dei costi e da fattori simili.

Nei prossimi giorni vedremo più innovazioni nei nostri smartphone. Un altro settore in crescita è la tecnologia indossabile rivolta alla salute e al fitness. Moda e accessori incorporeranno anche elementi elettronici.

Tutto ciò porterà a una crescente domanda di batterie allungabili. I ricercatori vedranno una crescente adozione della loro tecnologia in vari settori. Tuttavia, non si devono dimenticare gli aspetti di sicurezza, longevità e prestazioni nella loro produzione. 

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