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Realizzata una batteria che potrebbe alimentare i dispositivi elettronici a bassa potenza come etichette o sensori
Un team di ricercatori dei Laboratori federali svizzeri per la scienza e la tecnologia dei materiali (EMPA), guidato dal professor Gustav Nyström dell’ETH di Zurigo, ha sviluppato un’innovativa batteria di carta usa e getta che si attiva semplicemente con qualche goccia d’acqua. La batteria potrebbe alimentare i dispositivi elettronici monouso a bassa potenza, come etichette intelligenti, sensori ambientali e dispositivi diagnostici medici, riducendo al minimo il loro impatto ambientale.
Come descritto in un articolo pubblicato sulla rivista Scientific Reports di Nature, la speciale pila è composta da almeno una cella elettrochimica metallo-aria di un centimetro quadrato, stampata con tre diverse tipologie di inchiostro su una piccola striscia di carta rettangolare. Su uno dei lati della carta viene stampato un inchiostro contenente scaglie di grafite, che funge da polo positivo della batteria (catodo). Sull’altro lato viene stampato un secondo inchiostro a base di polvere di zinco, che costituisce il polo negativo della batteria (anodo). Infine, un terzo inchiostro contenente scaglie di grafite e nerofumo è stampato su entrambi i lati della carta, sopra gli altri due inchiostri. Su tutta la carta è applicato un elettrolita, in questo caso semplicemente cloruro di sodio o sale da cucina, e una delle estremità viene immersa nella cera.
Aggiungendo una piccola quantità di acqua, i sali all’interno della carta si dissolvono lungo tutta la striscia e gli ioni caricati vengono rilasciati, rendendo così l’elettrolita ionicamente conduttivo.
Questi ioni attivano la batteria disperdendosi attraverso la carta, provocando l’ossidazione dello zinco nell’inchiostro all’anodo e rilasciando elettroni. «Chiudendo il circuito, questi elettroni possono quindi essere trasferiti dall’anodo contenente zinco al catodo di grafite, dove a loro volta vengono trasferiti riducendo l’ossigeno dall’aria ambientale. Queste reazioni redox generano quindi una corrente elettrica che può essere utilizzata per alimentare un dispositivo elettrico esterno», hanno spiegato i ricercatori.
Per dimostrare la capacità della loro batteria di alimentare dispositivi elettronici a basso consumo, il team ha combinato due celle in una batteria per aumentare la tensione operativa, usandola per far funzionare una sveglia con un display a cristalli liquidi. L’analisi delle prestazioni di una singola cella ha rivelato che, dopo l’aggiunta di due gocce d'acqua, la batteria si è attivata in 20 secondi e, quando non era collegata a un dispositivo che consuma energia, ha raggiunto una tensione stabile di 1,2 volt. Dopo un’ora, le prestazioni sono diminuite a causa dell’essiccazione della carta.
Tuttavia, dopo che i ricercatori hanno aggiunto altre due gocce d’acqua, la batteria ha mantenuto una tensione operativa stabile di 0,5 volt per più di un’ora aggiuntiva.
«La particolarità del nostro dispositivo è che, a differenza di molte batterie metalliche ad aria che utilizzano una lamina metallica che si consuma gradualmente man mano che la batteria si esaurisce, il suo design consente di impiegare la quantità di zinco effettivamente necessaria per la specifica applicazione, aggiungendola all’inchiostro utilizzato in fase di stampa. Le lamine metalliche sono invece più difficili da controllare e non sempre si consumano completamente, portando a uno spreco di materiali. Quindi più zinco contiene l’inchiostro, più a lungo la batteria è in grado di funzionare», ha dichiarato Nyström.