In un’intervista con Kostas Gerasopoulos, capo della ricerca e assistente del direttore del programma per la fisica, i materia­li elettronici e i dispositivi presso APL, verranno approfonditi gli aspetti tecnici, le sfide e le prospettive di questi risultati eccezionali. Il metodo è descritto in dettaglio in due articoli pub­blicati di recente su Advanced Materials Technologies e Advanced Functional Materials.

I ricercatori del Johns Hopkins Applied Physics Laboratory (APL) di Laurel, nel Maryland, hanno fatto una scoperta unica che po­trebbe rivoluzionare il modo in cui interagiamo con i nostri di­spositivi. Essi hanno infatti sviluppato un metodo scalabile per la creazione di fibre alimentate a batteria e ad energia solare, che in futuro potrebbero essere utilizzate per fabbricare abiti in grado di raccogliere energia dall’ambiente.

Integrando queste fibre nei tessuti, i ricer­catori dell’APL stanno creando un’elettro­nica indossabile che non è solo funziona­le, ma anche comoda ed elegante.

La tecnologia

Una delle sfide più significative nello svi­luppo dell’elettronica indossabile è stata la necessità di ricorrere a batterie e fonti di alimentazione ingombranti. Questi vincoli hanno limitato la funzionalità e il design dei dispositivi esistenti. Tuttavia, le nuove fonti di alimentazione basate sulle fibre of­frono una soluzione a questa sfida. Questi fili sottilissimi possono essere intrecciati direttamente nei tessuti, offrendo così un modo semplice e discreto di alimentare i dispositivi indossabili.

I ricercatori dell’APL hanno adattato le ap­parecchiature utilizzate per la fabbricazio­ne delle batterie tradizionali per ottenere la sottigliezza richiesta per le batterie in fibra. Le batterie sono costituite da stri­sce piatte di elettrodi anodici e catodici, insieme a un separatore polimerico, che vengono combinati in una pressa a caldo e laminati in una configurazione a stack.

Il design assomiglia a quello delle tradizio­nali celle a sacchetto (celle pouch), come quelle che si trovano nelle batterie dei tele­foni cellulari, e offre potenza e prestazioni superiori rispetto alle tipiche batterie in fibra.

Lo stack viene successivamente tagliato con il laser, ottenendo un filamento si­mile a una fibra di circa 700 micrometri di larghezza, equivalente al diametro di cinque capelli umani (Figura 1).

Figura 1 – La batteria in fibra è estremamente sottile (Fonte: APL)

Si tratta della prima applicazione di taglio laser su un intero stack di batterie che dimostra la fattibilità della tecnica per adattare le di­mensioni delle batterie preservandone le prestazioni. La rapidità del sistema di ta­glio lo rende inoltre scalabile.

“L’APL ha dimostrato la flessibilità delle fibre solari – piegandole 8.000 volte – e non ha riscontrato alcun cambiamento nelle prestazioni. Per le fibre per batterie, ci siamo concentrati sulla sfida princi­pale di sviluppare un nuovo processo scalabile compatibile con i materiali e la produzione delle batterie“, ha dichiarato Kostas Gerasopoulos.

Come afferma Gerasopoulos, l’analisi del compromesso tra i materiali che offrono la massima efficienza energetica e la mas­sima durata è ora relativamente semplice, grazie alla definizione di una solida base per questo processo. L’incapsulamento sarà un fattore critico e dovrà essere af­frontato in futuro

Affrontare le sfide della scalabilità

Uno dei principali risultati di questa sco­perta è la sua scalabilità. Il processo di fabbricazione delle fibre fotovoltaiche svi­luppato dal Johns Hopkins Applied Phy­sics Laboratory (APL) è intrinsecamente scalabile, poiché si basa sulla fabbricazio­ne standard di microelettronica e sull’as­semblaggio di chip, per i quali esistono già strumenti di produzione scalabili.

“Il nostro team sta attualmente sfruttan­do tutti questi strumenti per sviluppare un processo scalabile per le fibre a ener­gia solare e migliorare la resa produttiva per applicazioni e dimostrazioni su larga scala“, ha dichiarato Gerasopoulos.

Per le batterie in fibra, il limite principale alla scalabilità è che la maggior parte dei materiali e dei processi di fabbricazione delle batterie sono incompatibili con le apparecchiature di trafilatura delle fibre. Le ricerche precedenti sulle batterie in fi­bra scalabili utilizzavano torri di estrazio­ne termica che sono strumenti piuttosto ingombranti e richiedono temperature moderate per il processo di estrazione.

I materiali e i dispositivi utilizzati nelle mi­gliori batterie (come le batterie agli ioni di litio) sono tipicamente trattati in ambienti asciutti e non è facile integrare questi stru­menti in locali asciutti o avere limitazioni di temperatura (ad esempio, il legante de­gli elettrodi o il separatore) che potrebbero renderli incompatibili con altri strumenti.

L’adattamento della fabbricazione delle batterie alle apparecchiature disponibili ha dato luogo a fibre con prestazioni non ottimali (ad esempio, bassa energia). Per mantenere invariate le premesse del pro­getto della batteria e ottenere quindi pre­stazioni più ottimali, APL ha costruito ap­parecchiature compatibili con l’industria delle batterie.

Come spiega Gerasopoulos, “abbiamo adattato le attrezzature attualmente utilizzate aggiungendo la funzionalità roll-to-roll senza compromettere i mate­riali e il design. Abbiamo dimostrato con successo le fasi critiche del processo di la­minazione del taglio delle fibre in roll-to-roll. Il prossimo passo sarà quello di mi­gliorare la resa e studiare come rendere la fibra più sottile e stretta“.

Un’altra sfida significativa per la scalabilità è l’incapsulamento. APL ha sviluppato un potenziale percorso attraverso le sue fibre solari, noto come incapsulamento roll-to-roll con rivestimento in soluzione.

Per quanto riguarda la fibra della batteria, le principali sfide riguardano la progetta­zione dei materiali e delle apparecchiature.

Ad esempio, si potrebbe sostituire l’elet­trolita liquido con un elettrolita allo stato solido, se si vuole utilizzare un incapsu­lamento basato su soluzioni; ma questo è soltanto un possibile approccio. APL ha sviluppato diversi concetti che sperano di implementare in un prossimo futuro.

“La scalabilità delle fibre solari e di quel­le per le batterie è paragonabile allo sviluppo di uno schema di interconnes­sione delle fibre scalabile a livello tessile. Il nostro team sta lavorando su questo aspetto per le fibre solari, con risultati inizialmente promettenti” ha dichiarato Gerasopoulos.

Secondo i ricercatori, l’ostacolo più signi­ficativo allo stato attuale della tecnologia delle celle solari è la loro rigidità. Per su­perare questa limitazione, il team ha im­piegato un particolare tipo di cella solare, caratterizzata dalla presenza di terminali positivi e negativi sul retro in uno schema simile a un dito. I ricercatori hanno inizia­to tagliando e assemblando piccole celle solari su circuiti sottili e flessibili. Hanno poi sigillato le celle in un polimero protet­tivo per formare un filamento simile a una fibra. Il processo è stato avviato da questa cella. Le celle solari sono così piccole che potrebbero rientrare nelle creste di un’im­pronta digitale.
(Figura 2).

Figura 2 – Le celle solari hanno dimensioni ridotte e possono essere incorporate in materiali flessibili (Fonte: APL)

Affidabilità e durata

Per valutare la durata di queste fibre, gli scienziati le hanno sottoposte a un’esposi­zione costante alla luce in laboratorio, simu­lando il numero totale di ore di luce solare all’aeroporto internazionale di Washington Dulles durante un normale mese di primave­ra. L’efficienza delle fibre è rimasta costante.

In una prova di concetto, i ricercatori han­no utilizzato un microtessuto progettato su misura per intrecciare fibre di nylon e di celle solari in un tessuto compatto. Il campione di fibre è stato posizionato sot­to una lampada e collegato a un circuito stampato compatto e a un lampeggiatore a LED, che ha illuminato prontamente la luce rossa lampeggiante in pochi secondi.

La tecnica impiegata per integrare e incap­sulare le celle solari sui substrati di fibra è applicabile anche a fonti alternative. Piut­tosto che le celle solari, la superficie delle fibre flessibili potrebbe ospitare sensori, LED o batterie, aprendo la strada a una moltitudine di funzionalità.

“Abbiamo condotto test di durata sulle fibre solari, tra cui la piegatura, i cicli di temperatura e l’esposizione solare simu­lata a lungo termine. Finora, questi test non hanno mostrato cambiamenti signi­ficativi nelle prestazioni“, ha dichiarato Gerasopoulos.

Egli ha poi concluso: “Si tratta di una ca­ratteristica unica del nostro processo di fabbricazione delle fibre solari basata su materiali per celle solari al silicio cristal­lino maturi e commercialmente collau­dati, che noi trasformiamo in fibre; un approccio promettente per l’adozione da parte dei consumatori. Il prossimo passo sarà quello di studiare la durata sotto­posta a lavaggio utilizzando i protocolli di test tessili standard“.

Maurizio Di Paolo Emilio Editor