Ora gli schermi possono 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 intorno al polso.

Sebbene gli schermi dei telefoni completamente flessibili siano stati disponibili da tempo, il telefono concettuale di Motorola – pieghevole – era di una classe a parte.

Non solo era un smartphone flessibile full-size con fotocamera, ma aveva anche un’intelligenza artificiale generativa onboard che poteva creare uno schema di colori per abbinarsi all’outfit dell’indossatore in 10 secondi.

Mentre i telefoni pieghevoli stanno aumentando, oggi discuteremo dello scenario che coinvolge le batterie. La domanda è, se gli schermi possono ora piegarsi, perché non le batterie?

In uno sviluppo recente, i ricercatori in ACS Energy Letters hanno segnalato una batteria al litio-ion con componenti completamente stirabili, compresa un’electrolita che può espandersi fino al 5000%.

La cosa buona della batteria è che le sue proprietà di stirabilità non influiscono sulle prestazioni della batteria, poiché può sostenere la sua capacità di archiviazione della carica dopo quasi 70 cicli di carica/scarica.

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

Batterie pieghevoli e stirabili per potenziare dispositivi elettronici con le stesse proprietà

La ricerca attuale è un punto di svolta in questo settore. È perché, fino ad ora, gli sforzi per costruire batterie pieghevoli e stirabili hanno tentato di utilizzare e sfruttare tessuti conduttivi intessuti o componenti rigidi piegati in forme espandibili come nel caso dell’arte giapponese dell’origami.

Tuttavia, questa tecnica ha un problema, poiché una batteria veramente malleabile richiede che sia elastica in ciascuna delle sue parti, compresi gli elettrodi che raccolgono la carica e i componenti di bilanciamento della carica nello strato elettrolita centrale.

Ma nessuno dei prototipi che abbiamo visto finora dispone di elasticità completa. Invece, hanno un’elasticità moderata e richiedono un processo di assemblaggio complesso, ulteriormente paralizzato da una capacità di archiviazione dell’energia limitata, soprattutto quando utilizzati per un lungo periodo con ripetute cariche e scariche.

Il problema dell’inefficienza di carica deriva dalla debole connessione tra lo strato elettrolita e gli elettrodi. Inoltre, l’elettrolita fluido potrebbe rivelarsi instabile, causando il suo spostamento con la batteria che cambia forma.

Il team ha esaminato questi problemi e ha lavorato per trovare soluzioni.

Soluzioni innovative per raggiungere la piena elasticità

Il team ha pensato di utilizzare l’elettrolita in uno strato di polimero fuso tra due pellicole di elettrodi flessibili per creare una batteria completamente solida e stirabile.

Per gli elettrodi, il team ha ideato una strategia di applicazione di un sottile strato di pasta conduttiva contenente nanofili d’argento, nerofumo e materiali di catodo o anodo a base di litio su una piastra.

Successivamente, hanno applicato uno strato di polidimetilsilossano, un materiale flessibile comunemente utilizzato nelle lenti a contatto, sulla parte superiore della pasta.

Infine, sulla parte superiore di tutto, i ricercatori hanno applicato un sale di litio, un liquido altamente conduttivo e gli ingredienti per creare un polimero stirabile.

Quando tutti questi, impilati in più strati, sono stati attivati dalla luce, i componenti si sono uniti per formare uno strato solido e gommoso che poteva stirarsi fino al 5000% della sua lunghezza originale senza problemi nel trasporto di ioni di litio.

L’intero dispositivo è stato sigillato con un rivestimento protettivo e lo stack, come menzionato in precedenza, includeva un ulteriore strato di pellicola di elettrodo.

I ricercatori hanno confrontato la loro soluzione con le soluzioni esistenti disponibili sul mercato che mirano a raggiungere lo stesso scopo. I risultati del confronto sono stati i seguenti:

Confronto tra la nuova batteria solida e stirabile e i dispositivi alimentati da elettrolita tradizionale

• La nuova versione offriva una capacità di carica media sei volte superiore con una velocità di carica rapida.
• La nuova soluzione poteva mantenere una stabilità aumentata durante l’operazione durante 67 cicli di carica e scarica.
• L’elettrolita polimero ha operato costantemente per 1000 cicli, con una caduta di capacità dell’1% nei primi 30 cicli. In una soluzione elettrolita liquida, la caduta era del 16%.

I ricercatori ritengono che, sebbene molto debba ancora essere raggiunto, la ricerca e i suoi risultati siano un passo avanti molto promettente nella creazione di dispositivi indossabili o impiantabili che si pieghino e si muovano con il corpo.

Mentre le istituzioni di ricerca agiscono sempre come agenti pionieristici per qualsiasi settore che si evolve con il tempo, non tutte le innovazioni si rivelano fattibili per applicazioni nella vita reale. 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-ion flessibile che poteva funzionare in condizioni estreme come taglio, immersione e impatto balistico simulato. I ricercatori hanno anche garantito che le batterie fossero incombustibili.

“Acqua-in-sale” e “acqua-in-bisale” elettroliti per batterie flessibili e incombustibili

I ricercatori hanno offerto nuove informazioni attraverso la scoperta di una nuova classe di “acqua-in-sale” e “acqua-in-bisale” elettroliti – indicati come WiS e WiBS – che, quando incorporati in una matrice polimera, potevano ridurre l’attività dell’acqua e aumentare le capacità energetiche e il ciclo di vita della batteria.

Allo stesso tempo, il meccanismo ha liberato l’impostazione della batteria da infiammabilità, tossicità e solventi altamente reattivi presenti in essi. Il risultato è stato in forma di una batteria flessibile che era sicura e potente.

Secondo Konstantinos Gerasopoulos del Dipartimento di ricerca e sviluppo della APL, che ha anche guidato la ricerca:

“Le batterie al litio-ion sono già una presenza costante nella nostra vita quotidiana, dai nostri telefoni alle nostre auto, e continuare a migliorare la loro sicurezza è fondamentale per avanzare ulteriormente la tecnologia di archiviazione dell’energia.”

Spiegando l’importanza della ricerca, ha detto:

“Il nostro recente articolo mostra un miglioramento dell’usabilità e delle prestazioni delle batterie al litio-ion polimero flessibili basate sull’acqua che possono essere costruite e operate in aria aperta.”

Mentre la ricerca in corso ha offerto molti risultati, alcune aziende hanno anche sviluppato batterie flessibili per articoli elettronici.

#1. Samsung

Più di quattro anni fa, un brevetto aggiunto al database dell’Ufficio internazionale della proprietà intellettuale (WIPO) ha mostrato che Samsung aveva sviluppato una batteria pieghevole per alimentare telefoni della stessa natura. La batteria brevettata era stata progettata con strati che consentivano a una delle sue celle di collegarsi all’altra tramite una commessura flessibile. Questa connessione flessibile attraversava la parte della cerniera del dispositivo, eliminando la necessità di due batterie solide separate.

Il brevetto, secondo i rapporti, si riferiva alla produzione di batterie che potevano adattarsi alla serie Galaxy Fold della società. Il successo della soluzione della batteria significava che l’azienda non doveva preoccuparsi di produrre due componenti convenzionali separati. Invece, una cella poteva fluire nell’altra attraverso la cerniera del dispositivo grazie alla sua striscia centrale di collegamento.

Il brevetto affermava che la cerniera era composta da “materiale di base”, “strati di miscela” e “separatori isolanti”. Secondo gli esperti, il meccanismo ha consentito agli strati attivi di carica nelle celle di interagire mentre potevano alimentare il telefono attraverso un modulo di protezione unificato (PCM) e connettersi alla sua scheda madre.

Il Samsung Galaxy Z Fold 6 è già sul mercato, il che significa che la tecnologia della batteria pieghevole di Samsung è stata di successo. Il telefono dispone di un enorme schermo OLED da 7,6 pollici e può supportare la navigazione web continua su 5G (in questo caso, T-Mobile), con lo schermo impostato su 150 nit di luminosità dello schermo.

Secondo una recensione del dispositivo, il dispositivo ha raggiunto in media 10 ore e 35 minuti in quattro test, superando i tempi di esecuzione di Google Pixel Fold (10:21) ma rimanendo indietro rispetto a OnePlus Open (11:31).

Mentre esprimeva la sua opinione sulla capacità della batteria della serie Fold, il recensore – in sintesi – aveva da dire:

“Nell’uso quotidiano, ho trovato che il Z Fold 6 fornisca una vita della batteria abbastanza forte. Con un uso misto, l’indicatore della batteria scende generalmente al 20% o 25% intorno alle 20:00, che è quando cerco un caricabatterie. Ma mi piacerebbe avere più autonomia in quei giorni in cui sto viaggiando o sto usando costantemente Slack.”

Nel complesso, l’impresa di Samsung nel settore delle batterie per telefoni pieghevoli, flessibili o pieghevoli potrebbe essere considerata un successo, con possibilità di miglioramento come sempre.

Dal punto di vista finanziario, Samsung Electronics ha recentemente pubblicato i suoi risultati finanziari per il primo trimestre del 2024, mostrando una crescita significativa in vari settori. L’azienda ha raggiunto un fatturato consolidato di 71,92 trilioni di won (52,08 miliardi di dollari), con un aumento del 13% rispetto allo stesso periodo dell’anno precedente. L’utile operativo è aumentato del 933% a 6,61 trilioni di won (4,78 miliardi di dollari), trainato principalmente dalle solide vendite nel settore dei chip di memoria e degli smartphone. Il settore degli smartphone ha registrato risultati impressionanti, con la serie Galaxy S24 che ha contribuito in modo significativo ai ricavi e all’utile operativo.

#2. Jenax

Un’altra azienda che ha svolto un lavoro pionieristico nel settore della flessibilità o stirabilità delle batterie è Jenax. Uno dei suoi prodotti innovativi più importanti è J.Flex, la batteria al litio-ion flessibile, solida e ricaricabile di Jenax.

L’azienda afferma che il suo prodotto può piegarsi completamente e muoversi con il dispositivo senza sacrificare la potenza. In termini di applicazione, la batteria si rivolge a un vasto campo, compresi dispositivi indossabili IT, dispositivi indossabili per la salute e il fitness, la moda e l’esercito.

Le batterie J.Flex possono essere piegate o arrotolate per migliorare la flessibilità dei dispositivi di prossima generazione. Anche con la piegatura dinamica costante, possono funzionare con la stessa efficienza e capacità del livello di base non pieghevole.

J.Flex supporta la personalizzazione in quanto un designer può ora pensare senza esitazione a creare nuove forme e dimensioni – non disponibili in precedenza – senza sacrificare le prestazioni.

La batteria è anche conforme agli standard internazionali per garantire la sicurezza per tutte le applicazioni.

Clicca qui per una lista delle migliori azioni di batterie in cui investire.

Piegare come una batteria: tendenze future nella flessibilità delle batterie.

Il volume di ricerca in corso in questo dominio rende lo spazio promettente per la crescita. Le aziende stanno diventando sempre più innovative con i loro design di dispositivi elettronici. Stanno immaginando nuove estetiche, creando una domanda di proprietà di flessibilità, stirabilità e flessibilità nelle batterie che alla fine alimentano i loro dispositivi.

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

I ricercatori hanno utilizzato un tessuto di argento conduttivo come piattaforma e raccolta di corrente, che si è rivelato un punto di svolta. Spiegando cosa la ricerca aveva raggiunto e quale fosse la sua importanza, Haleh Ardebili, professore di Ingegneria meccanica alla UH, che era responsabile della guida della ricerca, ha detto:

“Sembra un passo logico creare e integrare batterie stirabili con dispositivi e abbigliamento stirabili. Immagina di piegare, piegare o stirare il tuo laptop o il tuo telefono in 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 difetto fondamentale che esisteva fino ad allora: il problema della rigidità. Allo stesso modo della ricerca del 2019 di Johns Hopkins, i ricercatori della UH hanno trasformato elettrodi rigidi di batterie al litio-ion in elettrodi flessibili e stirabili basati su polimero solido.

Secondo Ardebili:

“L’elettrodo della batteria deve consentire il movimento di elettroni e ioni.”

Questa richiesta poteva essere soddisfatta con l’uso di tessuto di argento intessuto in quanto poteva deformarsi meccanicamente o stirarsi e fornire ancora “percorsi di conduzione elettrica necessari per il funzionamento dell’elettrodo della batteria”.

Mentre la tecnologia della batteria era ancora nella sua fase di test iniziale, i ricercatori potevano ben immaginare la sua applicabilità in tute spaziali intelligenti, elettronica di consumo incorporata in abbigliamento che monitora 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 giorni a venire, vedremo più innovazioni nei nostri smartphone. Un altro settore in crescita è la tecnologia indossabile rivolta alla salute e al fitness. La moda e gli accessori incorporeranno anche elementi elettronici.

Tutto ciò porterà a un aumento della domanda di batterie stirabili. I ricercatori vedranno un aumento dell’adozione della loro tecnologia in tutti i settori. Tuttavia, non si deve dimenticare gli aspetti di sicurezza, longevità e prestazioni durante la produzione.

Clicca qui per scoprire come la nanofotonica avanzata ci aiuterà a costruire smartphone migliori.