Quando anche la batteria diventa tridimensionale: la stampa 3D prova a risolvere il problema dell’energia nei dispositivi microscopici

Più piccoli diventano i dispositivi, più difficile diventa alimentarli

Sensori miniaturizzati, dispositivi medici, sistemi indossabili, nodi dell’Internet of Things e microsistemi autonomi condividono un problema che non si risolve semplicemente riducendo le dimensioni dei circuiti elettronici: serve comunque una fonte di energia.

I semiconduttori possono essere fabbricati con processi capaci di realizzare strutture estremamente piccole. Batterie e condensatori, invece, dipendono da fenomeni elettrochimici che richiedono una certa quantità di materiale attivo, superfici di scambio, elettroliti e percorsi attraverso i quali elettroni e ioni possano muoversi.

Ridurre le dimensioni di una batteria significa quindi ridurre anche la quantità di materiale disponibile per immagazzinare energia.

Un gruppo di ricercatori della King Abdullah University of Science and Technology (KAUST), in Arabia Saudita, sta studiando questo problema attraverso microbatterie e microsupercapacitori nei quali la produzione additiva viene utilizzata non per realizzare semplicemente l’involucro esterno, ma alcune delle strutture che partecipano direttamente all’accumulo dell’energia.

Il lavoro rientra nelle ricerche condotte da Yusuf Khan all’interno del gruppo coordinato dal professor Husam N. Alshareef. Khan ha discusso il 21 luglio 2026 alla KAUST la tesi di dottorato Microscale Electrochemical Capacitors & Batteries, dedicata proprio ai sistemi di accumulo elettrochimico di piccole dimensioni.

Una parte importante di queste ricerche era già stata pubblicata nel 2025 sulla rivista Materials Today Energy e permette di capire con dati misurabili perché la stampa 3D possa risultare interessante in questo settore.

Il limite delle batterie piatte

Gran parte della microelettronica viene costruita utilizzando strutture planari.

Il procedimento funziona molto bene per transistor, circuiti integrati e sensori, ma diventa più problematico quando deve essere applicato all’accumulo dell’energia.

In una batteria tradizionale, aumentando la quantità di materiale attivo generalmente aumenta anche la quantità di energia che può essere immagazzinata. Se però il dispositivo deve occupare una superficie di pochi millimetri quadrati, non è possibile continuare ad allargare gli elettrodi.

Una soluzione consiste nel cambiare direzione.

Invece di estendere l’elettrodo orizzontalmente, è possibile costruirlo in altezza, creando una struttura tridimensionale.

L’idea è simile a quella che ha guidato alcune evoluzioni dell’elettronica: quando la superficie disponibile diventa un limite, si cerca di sfruttare la terza dimensione.

La produzione additiva permette di creare elettrodi con reticoli, pareti, canali, strutture porose e geometrie difficili da ottenere con le tradizionali tecniche di deposizione di film sottili.

In questo modo è possibile aumentare la quantità di materiale attivo mantenendo relativamente piccola l’area occupata dal dispositivo.

Il vantaggio non è semplicemente avere più materiale

Aumentare lo spessore di un elettrodo non è sufficiente.

Un blocco compatto di materiale potrebbe contenere molta materia attiva ma funzionare male perché gli ioni dell’elettrolita avrebbero difficoltà a raggiungere le zone più interne.

La geometria tridimensionale permette invece di tentare un compromesso differente: aumentare la massa dell’elettrodo mantenendo contemporaneamente percorsi sufficientemente brevi per il trasporto degli ioni.

Reticoli e strutture porose possono inoltre aumentare la superficie di contatto tra elettrodo ed elettrolita.

Questo è uno dei motivi per cui la stampa 3D può essere interessante per l’accumulo elettrochimico. Non serve soltanto a dare una forma particolare all’oggetto: permette di progettare la geometria interna in funzione del comportamento elettrochimico desiderato.

La forma diventa quindi una delle variabili con cui progettare le prestazioni del dispositivo.

Il microsupercapacitore costruito alla KAUST

Il gruppo della KAUST ha realizzato un microsupercapacitore planare nel quale gli elettrodi vengono costruiti mediante stampa 3D sopra collettori di corrente tridimensionali e porosi ottenuti con grafene prodotto mediante lavorazione laser.

Il dispositivo utilizza due materiali differenti.

Per l’elettrodo negativo viene impiegato un MXene Ti3C2Tx, materiale appartenente alla famiglia dei carburi e nitruri bidimensionali conosciuti come MXene.

Per l’elettrodo positivo viene invece utilizzato un composto basato sul blu di Prussia, materiale studiato anche nel campo delle batterie e dei sistemi elettrochimici per la sua capacità di ospitare e trasferire ioni.

Gli elettrodi vengono depositati su una struttura tridimensionale di grafene inciso mediante laser che funziona come collettore di corrente.

La stampa 3D consente di depositare quantità di materiale maggiori rispetto a quelle normalmente utilizzate nelle configurazioni planari sottili.

Una massa attiva di circa 30 milligrammi per centimetro quadrato

Il dato forse più interessante riguarda proprio il cosiddetto mass loading, cioè la quantità di materiale elettrochimicamente attivo presente per unità di superficie.

Nel dispositivo sviluppato da Yusuf Khan, Yongjiu Lei, Yuvraj Vaishnav, Ameur Louhichi, Yoji Kobayashi, Sanjay Rastogi e Husam N. Alshareef, la struttura stampata raggiunge circa 30 mg/cm².

Aumentare la massa attiva senza occupare una superficie proporzionalmente maggiore è uno degli obiettivi principali delle architetture tridimensionali.

La struttura porosa offre inoltre una grande area di contatto con l’elettrolita liquido, elemento necessario perché il materiale aggiuntivo contribuisca effettivamente alle prestazioni anziché diventare semplicemente volume inutilizzato.

Nei test effettuati dai ricercatori della KAUST, il microsupercapacitore assemblato ha raggiunto una capacità areale di 282,7 mF/cm² a una densità di corrente di 1 mA/cm².

La tensione operativa del dispositivo è di circa 1,5 volt.

La densità energetica areale misurata raggiunge 88,34 μWh/cm², con una densità di potenza di 0,5 mW/cm².

Gli autori del lavoro indicano questo risultato come uno dei valori più elevati ottenuti per questa categoria di microsupercapacitori ibridi.

Si tratta però di risultati ottenuti in condizioni sperimentali e non delle specifiche di un prodotto commerciale.

Batteria e supercapacitore non sono la stessa cosa

Quando si parla di accumulo di energia a scala microscopica è importante distinguere microbatterie e microsupercapacitori.

Una batteria immagazzina energia attraverso reazioni elettrochimiche e tende a offrire una densità energetica maggiore.

Un supercapacitore privilegia invece la capacità di ricevere e fornire rapidamente energia e può normalmente sopportare un numero molto elevato di cicli.

Tra le due categorie esistono inoltre sistemi ibridi che cercano di combinare alcune caratteristiche delle batterie con quelle dei condensatori elettrochimici.

Il dispositivo studiato dalla KAUST appartiene a quest’ultima area.

La distinzione diventa importante quando si valuta l’applicazione. Un sensore che deve funzionare per settimane consumando pochissima energia ha esigenze diverse da un dispositivo che deve fornire per pochi istanti un picco di potenza elevato.

Perché la stampa 3D è adatta a questi dispositivi

La produzione additiva offre una caratteristica particolarmente interessante quando le dimensioni disponibili sono stabilite dall’applicazione.

Una batteria convenzionale viene normalmente progettata come componente separato: cilindrico, prismatico, a bottone o a sacchetto.

Il resto del dispositivo deve lasciare spazio alla batteria.

La produzione additiva apre la possibilità opposta: progettare il sistema di accumulo in funzione dello spazio rimasto disponibile.

Un elettrodo potrebbe essere sviluppato attorno a un sensore, occupare un’area irregolare oppure essere integrato direttamente nel substrato sul quale si trovano gli altri componenti.

Per alcuni microsistemi la capacità di adattare la geometria può avere più valore della riduzione del costo per singola batteria.

Questo è un punto importante perché la produzione additiva difficilmente può competere con i processi industriali tradizionali quando l’obiettivo è semplicemente realizzare miliardi di dispositivi planari identici.

La microelettronica dispone già di tecnologie estremamente efficienti per questo scopo.

La stampa 3D deve quindi offrire qualcosa che fotolitografia, deposizione, laminazione e coating non riescono a ottenere con la stessa facilità.

La geometria tridimensionale è una di queste possibilità.

Direct Ink Writing: stampare un elettrodo come un materiale viscoso

Una delle tecniche più utilizzate per questi esperimenti è la Direct Ink Writing, spesso abbreviata in DIW.

Il principio ricorda quello dell’estrusione utilizzata nelle comuni stampanti 3D a filamento, ma il materiale viene depositato sotto forma di inchiostro o pasta funzionale attraverso un ugello molto piccolo.

L’inchiostro può contenere particelle del materiale attivo, leganti, materiali conduttivi e solventi.

La formulazione diventa critica.

L’inchiostro deve essere sufficientemente fluido da attraversare l’ugello ma, dopo la deposizione, deve mantenere la forma senza collassare.

Una pasta troppo liquida perde la geometria progettata. Una pasta troppo viscosa può intasare l’ugello o richiedere pressioni incompatibili con il processo.

Dopo la stampa possono inoltre essere necessarie essiccazione, trattamento termico o altre operazioni per ottenere le proprietà elettriche ed elettrochimiche desiderate.

La chimica dell’elettrodo e il processo di stampa devono quindi essere sviluppati insieme.

Non esiste una sola tecnologia di stampa per le microbatterie

La Direct Ink Writing è soltanto una delle possibilità.

La ricerca scientifica ha esplorato anche inkjet printing, deposizione aerosol, material jetting e processi di fotopolimerizzazione in vasca.

Ognuna presenta vantaggi e limiti.

I sistemi inkjet permettono di depositare quantità molto piccole di materiale e sono compatibili con processi ad alta precisione, ma richiedono inchiostri con caratteristiche reologiche molto restrittive.

La Direct Ink Writing gestisce materiali più viscosi e permette di costruire strutture più spesse, ma la risoluzione dipende dalle dimensioni dell’ugello e dalle proprietà della pasta.

La fotopolimerizzazione può produrre geometrie tridimensionali con risoluzione elevata, ma realizzare direttamente materiali che siano contemporaneamente fotopolimerizzabili, conduttivi ed elettrochimicamente attivi è più complesso.

Una possibilità consiste quindi nello stampare una struttura tridimensionale e successivamente rivestirla o metallizzarla con il materiale funzionale.

Una review scientifica pubblicata nel maggio 2026 ha indicato proprio la fotopolimerizzazione come una delle tecnologie interessanti per produrre elettrodi ad alta risoluzione, sottolineando però che materiali, post-processing e compatibilità elettrochimica rimangono problemi aperti.

Porosità e densità energetica tirano in direzioni opposte

La costruzione di un buon elettrodo tridimensionale richiede numerosi compromessi.

Aumentare la porosità facilita l’ingresso dell’elettrolita e riduce le distanze che gli ioni devono percorrere.

Allo stesso tempo, però, ogni poro è spazio nel quale non si trova materiale attivo.

Ridurre la porosità permette di inserire più materiale ma può peggiorare il trasporto ionico.

Un problema analogo riguarda i materiali conduttivi.

Aggiungere carbonio o altri materiali ad alta conducibilità può facilitare il passaggio degli elettroni, ma occupa volume che altrimenti potrebbe essere utilizzato dal materiale destinato all’accumulo dell’energia.

L’obiettivo non è quindi massimizzare un singolo parametro.

Occorre trovare un’architettura nella quale massa attiva, conducibilità, porosità, resistenza meccanica e percorsi ionici siano equilibrati.

La stampa 3D è interessante proprio perché consente di modificare queste geometrie con una libertà superiore rispetto a un semplice film depositato sopra una superficie.

Stampare è solo la prima parte del problema

Una struttura geometricamente perfetta non garantisce una buona batteria.

Dopo la stampa possono verificarsi ritiro, deformazioni e fessurazioni durante l’essiccazione o la polimerizzazione.

Strutture troppo sottili possono essere fragili.

Strutture troppo spesse possono rallentare il movimento degli ioni.

Le interfacce tra materiali differenti possono deteriorarsi durante i cicli di carica e scarica.

A scala microscopica diventa inoltre difficile realizzare un sistema di encapsulation efficace.

Umidità, ossigeno e contaminanti possono compromettere alcuni materiali elettrochimici. Il dispositivo deve quindi essere sigillato senza occupare una parte eccessiva dello spazio disponibile.

Per una microbatteria destinata a essere integrata direttamente in un circuito, il packaging può diventare quasi altrettanto importante dell’elettrodo.

Il problema dei cicli di carica e scarica

Un prototipo da laboratorio può mostrare un’elevata densità energetica durante le prime misurazioni e avere comunque scarso interesse applicativo.

Una batteria deve conservare una parte sufficientemente alta della propria capacità dopo centinaia o migliaia di cicli.

Durante ogni ciclo i materiali possono espandersi, contrarsi, dissolversi parzialmente o modificare le proprie caratteristiche strutturali.

In un elettrodo tridimensionale questi fenomeni possono produrre tensioni meccaniche complesse.

Anche per questo la progettazione delle microbatterie stampate non può essere separata dalla scienza dei materiali.

La libertà geometrica offerta dalla produzione additiva è utile soltanto se la struttura mantiene le proprie caratteristiche durante la vita operativa del dispositivo.

La produzione industriale resta il confronto più difficile

Esiste poi una questione economica.

L’industria dei semiconduttori è in grado di produrre enormi quantità di dispositivi microscopici utilizzando processi paralleli.

Su un singolo wafer possono essere realizzati contemporaneamente migliaia di componenti.

Molte tecniche additive, invece, costruiscono le strutture mediante deposizione sequenziale.

Per competere nella produzione di massa, la stampa 3D dovrebbe quindi aumentare considerevolmente velocità e parallelizzazione.

Il vantaggio potrebbe emergere in applicazioni nelle quali non è necessario produrre miliardi di esemplari identici.

Dispositivi medici personalizzati, sensori specializzati, elettronica indossabile, microrobot e sistemi autonomi possono accettare costi produttivi differenti se la libertà geometrica permette di ottenere prestazioni che i processi convenzionali non consentono.

Dal sensore autonomo al microrobot

Le applicazioni potenziali spiegano l’interesse per questi sistemi.

Un sensore IoT può avere dimensioni minime ma richiedere energia per acquisire un dato, elaborarlo e trasmetterlo.

Un dispositivo medico impiantabile può disporre di pochissimo spazio e richiedere una sorgente energetica adattata alla geometria dell’impianto.

Un wearable deve potersi piegare oppure seguire la superficie del corpo.

Un microrobot non può dedicare la maggior parte del proprio volume a una batteria rettangolare convenzionale.

In questi casi la possibilità di progettare l’accumulo energetico come parte integrante della struttura diventa particolarmente interessante.

La batteria smette di essere necessariamente un componente da inserire nel dispositivo e può diventare uno degli elementi con cui il dispositivo stesso viene progettato.

Anche le microbatterie stanno seguendo la stessa strada

Il settore non riguarda soltanto i supercapacitori.

Una vasta parte della ricerca si concentra sulle microbatterie agli ioni di litio, ma sono allo studio anche sistemi agli ioni di sodio e di zinco.

La produzione additiva può essere utilizzata per realizzare anodi, catodi, collettori di corrente, elettroliti e in alcuni casi anche separatori.

L’obiettivo più ambizioso è arrivare a dispositivi nei quali la maggior parte dei componenti funzionali venga prodotta attraverso processi di stampa compatibili tra loro.

Questo richiede però sistemi multimateriale capaci di depositare, nello stesso processo produttivo, materiali con proprietà molto differenti.

Una batteria completa contiene infatti materiali conduttivi, elettrochimicamente attivi, isolanti e ionicamente conduttivi.

La difficoltà non consiste quindi soltanto nell’aumentare la risoluzione della stampante.

Occorre sviluppare un insieme di materiali che possano essere processati senza danneggiarsi reciprocamente.

Il prossimo passo è stampare funzioni, non semplicemente forme

La ricerca della KAUST mostra bene la direzione verso cui si sta muovendo una parte della produzione additiva.

Nella stampa 3D tradizionale l’attenzione è spesso concentrata sulla geometria dell’oggetto.

Nel caso dei sistemi di accumulo l’oggetto deve invece avere una funzione elettrica ed elettrochimica precisa.

Ogni elemento della geometria influenza il comportamento del dispositivo.

Dimensione dei pori, altezza delle strutture, distanza fra gli elettrodi, composizione dell’inchiostro e percorso seguito dagli ioni diventano parametri progettuali.

La stampante non realizza soltanto la forma della batteria: contribuisce a definirne le prestazioni.

Il risultato della KAUST è importante soprattutto per ciò che dimostra

I valori ottenuti dal gruppo di Yusuf Khan e Husam N. Alshareef non significano che le batterie dei telefoni o delle automobili saranno sostituite da dispositivi stampati in 3D.

Il confronto non è quello corretto.

L’interesse riguarda soprattutto sistemi nei quali ogni millimetro quadrato conta e nei quali le forme convenzionali dell’accumulo energetico rappresentano un limite progettuale.

Il microsupercapacitore sviluppato alla King Abdullah University of Science and Technology dimostra che un’architettura tridimensionale può aumentare considerevolmente il caricamento di materiale attivo e produrre valori elevati di capacità e densità energetica per unità di superficie.

Rimangono da affrontare durata, encapsulation, integrazione, velocità produttiva, ripetibilità e costo.

Sono problemi sufficientemente importanti da impedire di considerare questa tecnologia pronta per una produzione generalizzata.

Ma il principio industriale è chiaro: quando non è più possibile aumentare l’area occupata dalla batteria, una delle possibilità è utilizzare meglio il volume disponibile.

È esattamente il tipo di problema nel quale la produzione additiva può offrire qualcosa che i processi planari tradizionali faticano a ottenere.

Il futuro delle microbatterie stampate in 3D dipenderà quindi meno dalla capacità di realizzare forme spettacolari e molto di più dalla capacità di trasformare quelle forme in strutture elettrochimiche affidabili, ripetibili e producibili.

Per dispositivi di pochi millimetri, la terza dimensione potrebbe diventare soprattutto questo: nuovo spazio nel quale mettere l’energia che non trova più posto sul piano.

“Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI)”