In un universo tecnologico sempre più orientato verso l’IoT e i dispositivi mobile, miniaturizzati e connessi, adottare strumenti innovativi di stoccaggio energetico diventa una necessità. Le batterie flessibili sono una risposta più che adeguata a tale esigenza.
Cosa sono le batterie flessibili
Le batterie flessibili rappresentano la più recente evoluzione nella tecnologia di stoccaggio energetico, la cui caratteristica portante è la capacità di adattarsi e conformarsi a superfici flessibili, abilitando una vasta gamma di applicazioni innovative. Le batterie flessibili sono primarie e secondarie, ovvero sono anche previste applicazioni ricaricabili.
Le previsioni di mercato sono rosee e sono già disponibili diversi casi d’uso e applicazioni concrete. La ricerca resta comunque protagonista e si concentra sui materiali, sul processo di realizzazione e sulle tecnologie sottostanti, rendendolo un mercato molto promettente sia per gli incumbent come Samsung SDI, LG Chem e Panasonic, sia per il folto ecosistema di startup innovative.
Il mercato è agli albori ma, come detto, le prospettive sono interessanti: secondo Verified Market Research, il tasso annuo di crescita dovrebbe posizionarsi intorno al 30% fino al 2030, quando il suo valore sarà di circa 3 miliardi di dollari.
A cosa servono le batterie flessibili
Come riportato in apertura, la ricerca sulle batterie flessibile è esplosa nell’ultimo decennio a causa del crescente interesse nei confronti di dispositivi elettronici portatili, miniaturizzati e indossabili.
L’elettronica di consumo è il mercato preferenziale, ma vi è molto interesse da parte di industry specifiche come l’healthcare, laddove le batterie flessibili fungono da supporto al trend dell’Internet of Medical Things.
Le batterie flessibili sono quindi l’abilitatore di molteplici filoni innovativi, tra cui:
- Dispositivi indossabili: smartwatch, fitness tracker, occhiali intelligenti e abbigliamento tecnologico come giacche riscaldanti, smart clothing, tessuti intelligenti e abbigliamento sportivo con sensoristica;
- Dispositivi elettronici nativamente flessibili, e in particolare schermi e display pieghevoli;
- Smart home: Illuminazione, interruttori elettronici, pannelli di controllo per elettrodomestici;
- Medical devices: sensori indossabili per il monitoraggio dei parametri vitali, dispositivi di somministrazione di farmaci, tessuti intelligenti;
- Veicoli elettrici. In ambito automotive, le batterie flessibili possono consentire maggiore libertà di design dei veicolo.
Batterie flessibili: l’evoluzione delle tecnologie di stoccaggio energetico
Le batterie flessibili costituiscono l’ultima frontiera nell’evoluzione delle tecnologie di accumulo energetico.
Dall’invenzione della pila di Volta nel 1799, le batterie e lo stoccaggio dell’energia hanno sempre affascinato la comunità scientifica, dando vita a un rapido percorso evolutivo. Il concetto stesso di batteria ci introduce in un mondo caratterizzato da una ricerca vorticosa e, soprattutto, da soluzioni realizzate ad hoc in funzione delle specifiche applicazioni cui si rivolgono.
Diversamente dalla pila di Volta, la prima batteria ricaricabile è stata la cosiddetta batteria al piombo, la cui origine risale alla metà del XIX secolo. Questa tecnologia era basata su fogli di piombo, un separatore di gomma e un elettrolita di acido solforico.
Nel corso del tempo, la batteria al piombo ha subito notevoli miglioramenti prima di lasciare spazio all’attuale dominatrice del mercato: la batteria agli ioni di litio. I progressi derivanti da questa tecnologia sono stati rivoluzionari: velocità di ricarica, efficienza energetica, supporto per moltissimi cicli di carica e peso limitato hanno spianato la strada all’innovazione in svariati ambiti e scenari. Nel 2019, i ricercatori che hanno svolto un ruolo di rilievo nello sviluppo di queste batterie, Stanley Whittingham, John Goodenough e Akira Yoshino, hanno vinto il prestigioso premio Nobel.
Oggi, l’elettrificazione della mobilità e le tecnologie intelligenti stanno spingendo la ricerca verso nuove soluzioni ad altissime prestazioni in termini di densità energetica (e quindi autonomia), tempi di ricarica e longevità. Negli ultimi decenni, si è aggiunto ed è diventato protagonista il fattore della sostenibilità ambientale, che oggi è un obiettivo primario della ricerca.
Un’importante evoluzione in corso riguarda le batterie allo stato solido, che rivoluzionano il principio di funzionamento delle batterie partendo dall’elettrolita. Le batterie allo stato solido, così come le tradizionali Li-Ion, possono anche essere flessibili e assecondare così esigenze di versatilità e adattabilità a svariati prodotti e scenari.
Uso delle batterie flessibili: sfide, vantaggi e ambiti di ricerca
Lo status di flexible battery è dato dalla capacità di torsione, flessione e adattamento di tutti i componenti che costituiscono la cella: i due elettrodi (anodo, catodo), il separatore (strato polimerico) e l’elettrolita, che è il mezzo attraverso il quale gli ioni si muovono tra gli elettrodi all’interno della cella durante la reazione elettrochimica.
Date le prospettive di mercato, la ricerca è molto fiorente ed è concentrata a vincere queste sfide:
- I materiali utilizzati nelle batterie flessibili
Le batterie flessibili richiedono materiali in grado di mostrare contestualmente buona conduttività, stabilità, elevate prestazioni, capacità e soprattutto sicurezza, date le condizioni di stress cui la batteria sarà soggetta. Le batterie flessibili richiedono infatti un elevato livello di stabilità meccanica sotto deformazione.In altri termini, è necessario sviluppare e impiegare materiali che miscelino elevate capacità elettriche e flessibilità. Ciò giustifica le innumerevoli sperimentazioni in essere con materiali tra cui:- Nanofibre di carbonio;
- Nanotubi di carbonio;
- Grafene;
- Alluminio;
- Polimeri flessibili, come poliuretano o polietilene;
- Fibre naturali.
Design della batteria
Il carattere innovativo delle flexible battery si manifesta anche – o soprattutto – nel design della stessa, che oltretutto può essere a carica singola (primaria) o ricaricabile (secondaria). Le molteplici sperimentazioni in essere stimolano fortemente l’innovazione, che poi si trasferisce anche nell’ambito dei prodotti tradizionali.
Processi produttivi ad hoc
La produzione di batterie flessibili richiede processi di fabbricazione specializzati e adattati alle caratteristiche dei materiali flessibili. Ciò implica lo sviluppo di nuove tecniche di formazione degli elettrodi e di assemblaggio che possano gestire una produzione in scala di materiali sottili e flessibili, ovviamente senza danneggiarli.
Scalabilità e stabilità
Occorre garantire che le batterie flessibili siano prodotte in modo scalabile e che mantengano prestazioni nel tempo. È necessario ottimizzare i processi di produzione per garantire una produzione efficiente e costante.
Sicurezza
La flessibilità stessa delle batterie può rappresentare un rischio di sicurezza, in quanto i materiali flessibili potrebbero essere più suscettibili a danni meccanici o cortocircuiti.
Quali tipi di batterie flessibili
Il carattere pionieristico del tema rende complesso definire specifiche tipologie di batterie flessibili. Tuttavia, sotto questo profilo può essere utile considerare la segmentazione adottata dai principali analisti.
Thin-Film Battery
Secondo i ricercatori, le batterie thin-film sono “batterie di dimensioni nano-millimetriche costituite da elettrodi ed elettroliti solidi” e rientrano quindi nel trend delle batterie a stato solido. Sono inoltre batterie ricaricabili, si basano sulla tecnologia agli ioni di litio e vengono realizzate mediante tecniche di deposizione fisica e chimica. La differenza principale rispetto alla tradizionali batterie agli ioni di litio riguarda il materiale elettrolita, per il quale possono essere impiegati strati di LiPON (esafluorofosfato di Litio) depositati sul materiale del catodo.
Printed battery
È formalmente una sottocategoria, o meglio un metodo di produzione per batterie flessibili, non soltanto agli ioni di litio ma anche zinco-aria, zinco-manganese… Gli elettrodi, l’elettrolita e i separatori vengono depositati su substrati flessibili tramite tecniche di stampa, creando una struttura sottile e flessibile. Oltre alla flessibilità, il grande beneficio è la capacità di adattamento (rapido) ad esigenze e forme complesse.
Advanced Li-ion battery
Le batterie tradizionali agli ioni di litio, con anodi in grafite e catodi di nichel, manganese o ferro hanno conquistato i mercati dell’automotive e dell’elettronica consumer. Tuttavia, la naturale spinte verso prestazioni sempre migliori, in aggiunta a rischi legati all’approvvigionamento hanno stimolato – e stanno stimolando – la ricerca di tecnologie più evolute o completamente nuove, da integrare con il trend delle batterie flessibili.
Alla prima categoria appartengono le batterie Li-ion avanzate, laddove le principali innovazioni sono relative all’anodo, per cui si sta sperimentando soprattutto l’uso del silicio, agli elettroliti allo stato solido e a vari fattori di design delle celle. L’obiettivo primario è l’aumento della densità energetica, ma sono in atto svariate ricerche per migliorare anche la capacità di carica e i costi.
