Energia solare per i vestiti: sviluppati tessuti che possono trasformare la luce in elettricità e immagazzinarla

Con l’ambizione di sviluppare dispositivi elettronici indossabili versatili, i ricercatori del Johns Hopkins Applied Physics Laboratory (APL) di Laurel, Maryland, hanno stabilito nuovi approcci allo sviluppo delle fibre a batteria e a energia solare che possono essere portati a volumi adatti alla produzione di massa.

Questa tecnologia può essere tessuta in indumenti che hanno il potenziale di raccogliere e immagazzinare energia elettrica, secondo una dichiarazione degli scienziati.

Poiché le normali batterie in fibra sono ostacolate da limiti di scalabilità e di prestazioni, gli scienziati hanno progettato batterie in fibra con un design impilato simile alle celle a sacchetto convenzionali.

L’approccio prevede la laminazione degli strati e la lavorazione al laser per ideare fibre per batterie con larghezze ridotte a 650-700 µm.

Tech Xplore ha osservato che queste fibre potrebbero alimentare l’elettronica indossabile ad alte prestazioni che respira, si allunga e si lava proprio come i tessuti convenzionali.

Laminazione di elettrodi di batterie convenzionali per dispositivi indossabili

“Con l’evoluzione della domanda di tessuti elettronici, c’è bisogno di fonti di energia più piccole che siano riutilizzabili, durevoli ed estensibili”, ha dichiarato Konstantinos Gerasopoulos, assistente program manager per la fisica, i materiali e i dispositivi elettronici presso l’APL e ricercatore principale di questo progetto.

“La nostra visione è quella di sviluppare fibre per la raccolta solare, in grado di convertire la luce del sole in elettricità, e fibre a batteria, in grado di immagazzinare l’elettricità generata nel tessuto”.

La chiave di questo progresso è lo sviluppo di separatori in poli (vinilidenfluoruro-co-esafluoropropilene) (PVDF-HFP). Questi consentono la laminazione di elettrodi di batterie convenzionali utilizzando una pressa a rulli riscaldata, come indicato nello studio.

Esempio di fibra di accumulazione

Le strisce laminate vengono poi tagliate al laser per formare delle fibre, che sono state testate con successo, dimostrando che la densità energetica delle batterie in fibra può immagazzinare fino a 0,61 milliwattora di energia per centimetro di lunghezza della fibra.

Le batterie in fibra sono state anche progettate per essere equipaggiate in modo roll-to-roll. Questo ha rappresentato un allontanamento dai metodi precedenti, grazie al nuovo approccio che offre un utilizzo ottimale dei materiali attivi, un basso contenuto di materiali inattivi, scalabilità e compatibilità con le apparecchiature del settore delle batterie ampiamente utilizzate.

“Abbiamo sempre progettato tenendo conto della compatibilità roll-to-roll”, ha osservato Rachel Altmaier, autrice principale dello studio.

“Dobbiamo essere in grado di eseguire tutti i nostri processi in modo continuo, altrimenti ciò che sviluppiamo non è rilevante. Questo processo potrebbe essere inserito in una linea di produzione esistente”.

L’apparecchiatura della batteria è stata realizzata su misura in fibre sottili e scalabili, impiegando un processo roll-to-roll su cui sono state laminate strisce piatte di elettrodi anodici e catodici con un separatore polimerico in una pila. Il tutto è stato tagliato al laser in fibre sottili.

Elaborazione di 100 metri di fibra in oltre cinque ore

“Possiamo lavorare 100 metri di fibra totale in poco più di cinque ore”, ha spiegato Jason Tiffany, ingegnere dell’APL e co-autore dell’articolo. “Con il nostro processo, possiamo rendere le fibre più piccole e più dense di energia, il che potrebbe aprire ancora più opportunità per le applicazioni tessili”.

Tuttavia, le fibre ad energia solare sono state adattate alla tecnologia delle celle solari convenzionali, assemblandole su circuiti flessibili. Sono state poi incapsulate in un polimero che ne ha permesso l’integrazione nei tessuti. Nonostante l’ampia piegatura e l’esposizione alla luce, questo metodo ha dimostrato di fornire elevate prestazioni e durata.

“La sfida più grande dell’attuale tecnologia delle celle solari è la loro rigidità”, ha sottolineato Michael Jin, autore principale dell’articolo sulle celle solari. “Si può immaginare che rimpicciolire i pannelli solari, come quelli che si trovano sui tetti, in una minuscola fibra solare sia molto impegnativo”.

“Abbiamo utilizzato processi di fabbricazione microelettronica standard per sviluppare un approccio innovativo che ha trasformato l’attuale tecnologia delle celle solari rigide in fibre flessibili e durevoli”, ha aggiunto Jin.

“Anche dopo aver piegato la fibra 8.000 volte, non abbiamo notato alcun cambiamento nelle sue prestazioni”.

Il nuovo dispositivo potrebbe consentire varie applicazioni, come il monitoraggio della salute, il riscaldamento degli indumenti e la fornitura di energia per le attrezzature dei soldati.

Questo nuovo studio rappresenta un cambiamento paradigmatico nella tecnologia delle batterie in fibra, aprendo la strada alla realizzazione di elettronica indossabile e tessile ad alte prestazioni, o e-textiles. In Italia l’università di Bologna è attiva in questo settore.