Si ricarica con l'umidità dell'aria e si autodistrugge se qualcuno la tocca: la batteria-spia

Chi progetta un dispositivo indossabile si trova davanti a un bivio scomodo. Le batterie tradizionali danno potenza affidabile ma sono mediamente rigide, pesanti e piene di materiali tossici. I cosiddetti raccoglitori di energia, che catturano elettricità dall’ambiente, sono leggeri e flessibili ma erogano una potenza debole e incostante. Nessuna delle due strade si adatta davvero all’elettronica che portiamo sulla pelle o ai piccoli sensori dell’internet delle cose. Un gruppo di ricercatori della North Carolina State University e della Rice University prova ora a fondere i pregi di entrambe in un unico oggetto: una batteria flessibile e non tossica che, come un raccoglitore di energia, si alimenta con l’umidità dell’aria, erogando però una potenza stabile come una cella vera e propria. Lo studio è consultabile su Science Advances. Il segreto sta nel fatto che la cella viene fabbricata e spedita completamente a secco. Finché resta sigillata nella confezione è inerte, incapace di dare corrente, e proprio per questo non avvia il consueto processo di degradazione, evitando il processo di autoscaricamento che affligge le batterie convenzionali durante lo stoccaggio. Basta esporla all’aria perché assorba il vapore acqueo, generi da sola il proprio elettrolita e cominci a funzionare, anche in climi aridi come quelli del deserto. Le applicazioni vanno dai dispositivi indossabili per il monitoraggio della salute fino ai sensori usa e getta pensati per dissolversi una volta esaurito il loro compito.

Come funziona una cella che si beve l’aria

Il cuore della tecnologia sta nel modo in cui la cella produce il proprio elettrolita, cioè il mezzo che consente agli ioni di muoversi tra i due poli e quindi di far scorrere corrente. Nelle batterie convenzionali questo mezzo è già presente sotto forma di liquido o gel, spesso a base di solventi organici infiammabili. In questo caso invece il materiale attivo assorbe le molecole d’acqua presenti nell’atmosfera e le usa per dare vita alla soluzione ionica che mette in moto il dispositivo. La cella abbina un anodo di magnesio a un catodo di argento e cloruro d’argento, separati da una membrana di cellulosa impregnata di sali di cloruro di litio: sono questi sali a catturare il vapore, a sciogliersi e a formare l’elettrolita, di fatto una semplice acqua salata, quando la batteria viene esposta all’aria. “Volevamo evitare gli elettroliti tossici e avere elettroliti molto sicuri e non infiammabili”, ha spiegato Rajaram Kaveti, scienziato dei materiali alla North Carolina State University e primo autore dello studio. La scelta è caduta sull’opzione più abbondante e innocua a disposizione, l’acqua stessa.

Non è la prima volta che si tenta la strada delle batterie attivate da un liquido. Alcuni prototipi precedenti sfruttavano il sudore, altri richiedevano di aggiungere manualmente dell’acqua per entrare in funzione. La novità qui è che la cella si serve dell’umidità già diffusa nell’ambiente, senza bisogno di alcun intervento esterno, e le basta un tasso di umidità molto basso, fino al 10%. Nelle prove i ricercatori l’hanno usata per alimentare in modo continuativo un pulsossimetro wireless bluetooth per un massimo di trenta ore, una durata paragonabile a quella delle batterie tradizionali.

Il segreto è nelle scaglie del pangolino

La vera sfida, in un dispositivo che deve piegarsi e allungarsi senza smettere di funzionare, è meccanica. Le batterie flessibili sviluppate finora affidano l’elasticità a interconnessioni a serpentina, sottili piste conduttrici a forma di molla che mantengono il contatto elettrico quando il dispositivo si deforma. Ma quando la cella si allunga, tra gli strati di materiale attivo si aprono spazi vuoti, e la densità di energia cala. Il gruppo ha risolto il problema copiando la natura, e in particolare le scaglie del pangolino, il mammifero ricoperto da placche sovrapposte. Impilando le celle come scaglie che scorrono l’una sull’altra, la batteria si piega, si torce e si allunga senza lasciare quegli spazi morti, conservando la propria capacità di erogare corrente. È un principio architettonico che, secondo i ricercatori, potrebbe estendersi ad altre chimiche oltre a quella ad attivazione da umidità.

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L’altra faccia: l’elettronica che sparisce

Se l’umidità può accendere un dispositivo, la stessa umidità può anche spegnerlo per sempre. È il principio dell’elettronica transitoria, una classe di circuiti progettati per dissolversi in modo controllato dopo aver svolto la propria funzione. Lo stesso gruppo di ricerca ha dimostrato che la piattaforma può dare vita a componenti destinati a scomparire su richiesta, sciogliendosi a contatto con l’acqua entro tempi che i ricercatori dichiarano di poter regolare. Le ricadute vanno in due direzioni. Da un lato la sicurezza e la riservatezza, con l’esempio dei dispositivi di sorveglianza o spionaggio che possono autodistruggersi senza lasciare tracce recuperabili. Dall’altro la sostenibilità, perché sensori ambientali capaci di dissolversi al termine del loro compito promettono di ridurre l’accumulo di rifiuti elettronici, uno dei problemi più spinosi dell’industria digitale. Un sensore usa e getta che scompare al posto di finire in discarica è un’idea che unisce esigenze militari e ambizioni green.

Cosa manca ancora

Come per ogni tecnologia allo stadio iniziale, restano da verificare la durata su tempi lunghi e la scalabilità industriale. Sul fronte delle prestazioni gli autori dichiarano valori paragonabili, e in alcuni casi superiori, a quelli delle batterie commerciali nelle condizioni operative standard. Il limite principale è semmai un altro: si tratta di una batteria primaria, quindi monouso e non ricaricabile, con prestazioni legate all’umidità disponibile nell’ambiente. Il passaggio dal prototipo al prodotto, come sempre, sarà la prova decisiva.