Con l'elettronica abilitata per il wireless che diventa più piccola e più onnipresente, i loro progettisti devono costantemente trovare modi in cui le batterie possano immagazzinare più energia in meno spazio. E poiché questi dispositivi sono anche sempre più mobili, sotto forma di dispositivi indossabili, robot e altro, quelle batterie devono essere più leggere pur essendo in grado di resistere agli urti e ai lividi della vita quotidiana. Peggio ancora, la densità di energia diventa esponenzialmente più difficile da migliorare man mano che una batteria si riduce, in parte perché porzioni più grandi dell'ingombro di una batteria devono essere dedicate all'imballaggio protettivo. Con questa sfida in mente, una nuova ricerca della School of Engineering and Applied Science dell'Università della Pennsylvania ha mostrato un nuovo modo di costruire e confezionare le microbatterie che massimizzano la densità energetica anche nelle dimensioni più piccole. Con un peso di circa due chicchi di riso ma con la densità di energia di una batteria molto più grande e pesante, il design privo di imballaggi dei ricercatori potrebbe consentire una serie di dispositivi elettronici altrimenti impossibili. Credito immagine: Penn Engineering Today Gli sviluppi chiave dei ricercatori sono stati un nuovo tipo di collettore di corrente e catodo che aumenta la frazione di materiali che immagazzinano energia e allo stesso tempo funge da guscio protettivo. Ciò riduce la necessità di imballaggi non conduttivi che normalmente proteggono i prodotti chimici interni sensibili di una batteria. “Essenzialmente abbiamo realizzato collezionisti di corrente che svolgono un doppio compito”, affermaJames Pikul, assistente professore presso il Dipartimento di ingegneria meccanica e meccanica applicata della Penn Engineering e leader dello studio. “Agiscono sia come conduttore di elettroni che come imballaggio che impedisce all'acqua e all'ossigeno di entrare nella batteria”. Questa maggiore efficienza dello spazio si traduce in una densità di energia quattro volte superiore a quella delle attuali microbatterie all'avanguardia. Abbastanza leggero da essere trasportato da un insetto, il design della microbatteria dei ricercatori apre le porte a microrobot volanti più piccoli, dispositivi medici impiantati con una durata di vita più lunga e una varietà di dispositivi altrimenti impossibili per l'Internet delle cose. Gli insetti sono stati a lungo fonte di ispirazione per piccoli robot, ma i requisiti di alta potenza hanno in gran parte mantenuto quelle macchine in laboratorio. Lo studio, pubblicato sulla rivistaAdvanced Materials, è stato condotto da Pikul, Xiujun Yue, uno studioso postdottorato nel suo laboratorio, Paul Braun, professore presso il Dipartimento di Scienza e ingegneria dei materiali dell'Università dell'Illinois a Urbana Champaign, e John Cook, Direttore della ricerca e sviluppo presso Xerion Advanced Battery Corp. Le batterie immagazzinano energia sotto forma di legami chimici, rilasciando quell'energia quando tali legami vengono interrotti. Per funzionare correttamente, questa reazione deve avvenire solo quando è necessaria la potenza, ma poi deve reagire abbastanza rapidamente da erogare una quantità utile di corrente. Per soddisfare la seconda metà di questi requisiti, le microbatterie hanno storicamente richiesto elettrodi sottili. Questa sottigliezza consente a più elettroni e ioni di muoversi rapidamente attraverso gli elettrodi, ma ciò ha il costo di avere meno sostanze chimiche che immagazzinano energia e progetti complessi che sono difficili da produrre. I ricercatori hanno sviluppato un nuovo modo per realizzare elettrodi che consentisse loro di essere spessi, consentendo anche il trasporto rapido di ioni ed elettroni. I catodi convenzionali sono costituiti da particelle frantumate compresse insieme, un processo che si traduce in ampi spazi tra gli elettrodi e una configurazione interna casuale che rallenta gli ioni mentre si muovono attraverso la batteria. “Invece, depositiamo il catodo direttamente da un bagno di sali fusi”, afferma Cook, “che ci dà un enorme vantaggio rispetto ai catodi convenzionali perché i nostri non hanno quasi porosità o vuoti d'aria”. “Questo processo allinea anche le” autostrade atomiche “del catodo”, afferma Pikul, “il che significa che gli ioni di litio possono spostarsi attraverso i percorsi più veloci e diretti attraverso il catodo e nel dispositivo, migliorando la densità di potenza della microbatteria pur mantenendo un'elevata densità di energia”. Questi componenti riprogettati sono così efficienti nel trasportare gli ioni che possono essere resi abbastanza spessi da raddoppiare la quantità di sostanze chimiche che immagazzinano energia senza sacrificare la velocità necessaria per alimentare effettivamente i dispositivi a cui sono collegati. In combinazione con il nuovo imballaggio, queste microbatterie hanno l'energia e la densità di potenza delle batterie che sono cento volte più grandi e pesano solo due chicchi di riso. I ricercatori continueranno a studiare le caratteristiche chimiche e fisiche che possono essere sintonizzate per migliorare ulteriormente le prestazioni, costruendo anche dispositivi indossabili e microrobot che sfruttano queste nuove fonti di energia. Fonte: Università della Pennsylvania

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