GLI SCIENZIATI STAMPANO IN 3D UNA BATTERIA BIODEGRADABILE CON IL POTENZIALE PER RIDURRE DRASTICAMENTE I RIFIUTI ELETTRONICI
I ricercatori dei Laboratori federali svizzeri per la scienza e la tecnologia dei materiali (EMPA) hanno utilizzato la stampa 3D per creare una nuova classe sostenibile di supercondensatori.
La batteria completamente stampata in 3D, composta da un substrato flessibile di cellulosa e glicerolo, modellata con un carbonio conduttivo e inchiostro carico di grafite, è in grado di resistere a migliaia di cicli di ricarica mantenendo la sua capacità. Grazie alla sua base biodegradabile, la nuova cella può anche essere compostata una volta terminata, rendendola potenzialmente uno strumento ideale per affrontare i problemi dei rifiuti elettronici nel mondo.
Alla ricerca di un “EDLC” sostenibile
Secondo gli scienziati dell’EMPA, il recente boom di dispositivi indossabili elettronici, imballaggi e applicazioni Internet of Things (IoT) ha visto il numero globale di questi dispositivi salire a 27 miliardi. Tuttavia, dato il loro breve ciclo di vita e il fatto che tendono ad essere alimentati da ioni di litio non rinnovabili o celle alcaline, molti di questi prodotti finiranno per essere gettati in discarica, aggravando il problema globale dei “rifiuti elettronici”.
Nel tentativo di sviluppare dispositivi di accumulo di energia più rispettosi dell’ambiente, gli scienziati hanno quindi iniziato a sperimentare condensatori elettrici a doppio strato, o “EDLC”. Questi supercondensatori ad alta capacità e ricarica rapida possono essere prodotti almeno in parte con materiali biodegradabili, rendendoli potenzialmente un sostituto ideale per le normali batterie, che spesso richiedono servizi di smaltimento specializzati.
Sebbene una quantità significativa di ricerche sia stata dedicata alla ricerca e sviluppo EDLC, le loro parti variabili come elettrodi e collettori di corrente possono essere difficili da produrre tramite un singolo processo di produzione. Inoltre, molti prototipi di EDLC sono al massimo parzialmente stampati in 3D, il che richiede il loro lungo e costoso assemblaggio o post-elaborazione, che li rende poco attraenti come iniziative commerciali.
Per semplificare la produzione EDLC e creare una propria batteria ecologica, il team EMPA si è rivolto alla stampa 3D DIW, che hanno utilizzato per produrre due mezze celle prima di piegarle insieme. In pratica, ciò significava stampare prima la base del substrato dell’unità, quindi depositare sopra l’elettrodo e gli strati di elettrolita conduttivo infuso di grafite, in un processo che, dopo alcune modifiche, ha prodotto una batteria funzionante.
“Sembra abbastanza semplice, ma non lo era affatto”, ha affermato Xavier Aeby del laboratorio Cellulose & Wood Materials dell’EMPA. “Ci sono voluti una lunga serie di test prima che tutti i parametri fossero corretti, fino a quando tutti i componenti scorrevano in modo affidabile dalla stampante e il condensatore funzionava”. Ha aggiunto: “Come ricercatori, non vogliamo solo giocherellare, vogliamo anche capire cosa sta succedendo all’interno dei nostri materiali”.
Una volta che il loro prototipo di supercondensatore era pronto, gli scienziati hanno cercato di testare la sua ritenzione di carica caricandolo a 0,5 V, prima di misurare la sua tensione sulla superficie aperta. Secondo i ricercatori, il loro dispositivo aveva ancora il 30% della sua carica residua dopo 150 ore, mettendo le sue prestazioni “in linea con quelle dei supercondensatori a base di carbonio all’avanguardia”.
È interessante notare che i ricercatori hanno scoperto che anche la capacità del loro supercondensatore ha oscillato per due settimane dopo che la fabbricazione si è stabilizzata, mentre in seguito è rimasta funzionante dopo otto mesi di stoccaggio e quando hanno finito i loro esperimenti e hanno tentato di compostarla, sono stati in grado di dissolversi circa il 50% della sua massa nel corso di nove settimane.
Durante i test, il dispositivo del team è stato in definitiva in grado di alimentare una sveglia da 3 V sotto stress meccanico, oltre a funzionare a temperature estremamente variabili. Di conseguenza, con ulteriore ricerca e sviluppo, affermano che potrebbe essere implementato su scala più ampia, per alimentare in modo sostenibile dispositivi intelligenti a bassa tensione come quelli utilizzati nel monitoraggio ambientale, negli e-textiles o nelle applicazioni sanitarie.
Batterie stampate: pronte per il mercato?
Mentre le batterie stampate in 3D rimangono in una fase relativamente iniziale di sviluppo, ci sono segnali promettenti che la tecnologia sta progredendo verso l’uso finale. Precedentemente nota come KeraCel, la Sakuu Corporation rinominata ha recentemente annunciato l’intenzione di lanciare la sua prima stampante 3D a batteria a stato solido (SSB) nel 2022, che si dice produca celle con una capacità molto più elevata rispetto agli attuali dispositivi agli ioni di litio.
Nel Regno Unito, il produttore di stampanti 3D Photocentric ha istituito una divisione di ricerca e sviluppo di batterie interne , in cui sta tentando di progettare un nuovo dispositivo di archiviazione ad alta efficienza energetica. Riducendo le dimensioni e il peso degli elettrodi della batteria, l’azienda mira a sviluppare un’unità più adatta alle applicazioni automobilistiche e si dice che con la sua creazione prenda di mira un’imminente fabbrica Tesla Giga.
In una ricerca simile, anche se più sperimentale, un team dell’Università di Manchester ha sviluppato un inchiostro “MXene” stampabile in 3D e lo ha utilizzato per produrre prototipi di supercondensatori. Durante i test, gli scienziati hanno affermato che i loro elettrodi fabbricati con additivi hanno dimostrato sia l’elevata capacità che la densità di energia necessarie per alimentare le auto o i telefoni cellulari del futuro.
I risultati dei ricercatori sono dettagliati nel loro articolo intitolato ” Supercondensatori di carta completamente stampati in 3D e usa e getta “, che è stato co-autore di Xavier Aeby, Alexandre Poulin, Gilberto Siqueira, Michael K. Hausmann e Gustav Nyström.
