Una batteria attivata dall’umidità che funziona con l’aria, è biodegradabile e può autodistruggersi

Le batterie rappresentano ancora uno dei principali limiti per lo sviluppo dell’elettronica indossabile e dei dispositivi dell’internet delle cose (IoT). Da un lato ci sono le tradizionali celle agli ioni di litio, affidabili ma spesso rigide, pesanti e realizzate con materiali potenzialmente tossici; dall’altro esistono le tecnologie di raccolta dell’energia ambientale, più leggere e flessibili ma incapaci di garantire un’alimentazione costante. Un gruppo di ricercatori della North Carolina State University e della Rice University ritiene però di aver trovato un punto d’incontro tra questi due mondi grazie a una nuova batteria che si attiva semplicemente assorbendo l’umidità presente nell’aria.

La tecnologia, descritta sulle pagine della rivista scientifica Science Advances, promette di offrire una fonte di alimentazione più sicura, leggera e sostenibile per sensori, dispositivi medici indossabili e sistemi IoT, introducendo al tempo stesso un’inedita funzione di autodistruzione pensata per proteggere apparecchiature sensibili da eventuali manomissioni.

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Una batteria che si attiva con l’umidità dell’aria

L’aspetto probabilmente più interessante di questa nuova batteria è che viene prodotta e trasportata completamente a secco, in assenza di umidità infatti, la cella rimane totalmente inattiva e non è in grado di generare corrente elettrica.

Questo approccio offre un vantaggio importante rispetto alle batterie convenzionali: durante lo stoccaggio non si verifica il naturale processo di autoscarica che, nel tempo, riduce la capacità delle celle tradizionali. Solo quando il dispositivo viene esposto all’aria, il materiale interno assorbe il vapore acqueo presente nell’ambiente e genera autonomamente l’elettrolita necessario al funzionamento. Secondo i ricercatori, il sistema è in grado di attivarsi anche in ambienti molto secchi, con livelli di umidità intorno al 10%, caratteristica che ne consentirebbe l’utilizzo persino in condizioni desertiche.

Il funzionamento della batteria è piuttosto diverso rispetto a quello delle celle tradizionali, l’anodo è realizzato in magnesio, mentre il catodo utilizza una combinazione di argento e cloruro d’argento; tra i due elementi trova posto una membrana di cellulosa impregnata di sali di cloruro di litio. Quando la membrana assorbe l’umidità dell’aria, i sali si sciolgono formando un elettrolita composto essenzialmente da acqua salata, in questo modo gli ioni possono muoversi tra i due poli, consentendo alla batteria di iniziare immediatamente a erogare energia.

L’assenza di solventi organici infiammabili rappresenta uno degli aspetti più interessanti della ricerca, perché permette di eliminare gran parte dei materiali tossici normalmente presenti nelle batterie commerciali. Come spiegato dai ricercatori, l’obbiettivo era proprio quello di sviluppare una tecnologia che sfruttasse un elettrolita sicuro, non infiammabile e facilmente reperibile, ossia l’acqua stessa.

Nonostante si tratti ancora di un prototipo, le prestazioni sono già piuttosto promettenti. Durante i test il team ha utilizzato la batteria per alimentare un pulsossimetro Bluetooth wireless per circa 30 ore consecutive, un risultato paragonabile all’autonomia offerta da molte batterie commerciali destinate alla stessa categoria di dispositivi.

Lo studio evidenzia inoltre valori interessanti anche dal punto di vista energetico, con una tensione a circuito aperto di circa 1,6 volt, una capacità specifica di circa 52 mAh/g e un’energia specifica di circa 81 mWh/g, prestazioni che in alcuni scenari risultano addirittura superiori rispetto ad alcune batterie oggi disponibili in commercio.

Un design ispirato al pangolino rende la batteria più flessibile

Uno degli ostacoli principali nello sviluppo delle batterie flessibili riguarda la capacità di mantenere elevate prestazioni anche quando vengono piegate, torse o allungate.

Per affrontare il problema, il gruppo di ricerca ha scelto un approccio bioispirato osservando la particolare struttura delle scaglie del pangolino; invece di utilizzare esclusivamente i tradizionali collegamenti a serpentina, la batteria impiega una disposizione di elementi sovrapposti che ricorda proprio il rivestimento dell’animale.

Questa configurazione permette alle celle di scorrere l’una sull’altra durante le deformazioni, riducendo gli spazi vuoti che normalmente si formano nelle batterie elastiche e che finiscono per diminuire la densità energetica. Secondo gli autori dello studio, questa soluzione potrebbe essere applicata anche ad altre tecnologie di accumulo energetico in futuro.

Può autodistruggersi per proteggere dati sensibili

Accanto alla batteria, i ricercatori hanno sviluppato anche un particolare sistema di sicurezza pensato per dispositivi destinati alla sorveglianza o alla raccolta di informazioni sensibili.

All’interno dell’involucro viene inserito un piccolo compartimento contenente una miscela secca di polvere di alluminio e iodio, separata dall’umidità tramite una membrana; se qualcuno tenta di aprire o manomettere il dispositivo esercitando pressione sull’involucro, la miscela entra rapidamente in contatto con l’acqua assorbita dalla membrana. La reazione chimica risultante è estremamente energetica e genera calore sufficiente a incendiare e distruggere completamente il dispositivo elettronico.

Come dimostrazione pratica, il team ha installato questo sistema all’interno di un sensore wireless per il rilevamento dei gas alimentato dalla nuova batteria, una volta attivato il meccanismo antimanomissione, il dispositivo è stato completamente distrutto nell’arco di circa tre minuti, inclusi i componenti elettronici basati su tecnologia CMOS.

Pur richiamando inevitabilmente scenari tipici dei film di spionaggio, gli stessi ricercatori sottolineano come una soluzione di questo tipo potrebbe trovare applicazione anche nella protezione di dispositivi impiegati in missioni di intelligence o in contesti dove la riservatezza delle informazioni riveste un’importanza fondamentale.

Una tecnologia promettente, ma ancora agli inizi

La stessa piattaforma tecnologica apre inoltre la strada all’elettronica transitoria, ovvero circuiti progettati per dissolversi in maniera controllata una volta terminato il proprio compito.

Secondo il team, modificando opportunamente i materiali utilizzati è possibile realizzare sensori che, a contatto con l’acqua, si dissolvono completamente entro tempi prestabiliti; questo approccio potrebbe contribuire a ridurre la quantità di rifiuti elettronici prodotti dai dispositivi monouso, specialmente nel settore del monitoraggio ambientale, dove vengono spesso distribuiti numerosi sensori destinati a operare solo per periodi limitati.

Come accade per molte innovazioni presentate in ambito accademico, serviranno ancora diversi anni prima di capire se questa tecnologia riuscirà ad arrivare sul mercato.

La batteria presenta infatti anche alcuni limiti: si tratta di una batteria primaria, quindi non ricaricabile, e le sue prestazioni dipendono inevitabilmente dalla quantità di umidità presente nell’ambiente circostante; sarà inoltre necessario verificare la durata nel tempo, l’affidabilità in scenari di utilizzo reali e soprattutto la possibilità di produrla su larga scala a costi competitivi.

Nonostante ciò, i risultati ottenuti finora mostrano una direzione particolarmente interessante per il futuro dell’elettronica flessibile. Una batteria più leggera, biodegradabile, priva di elettroliti tossici e capace di attivarsi semplicemente grazie all’umidità dell’aria potrebbe infatti rappresentare una soluzione ideale per alimentare la prossima generazione di dispositivi indossabili, sensori intelligenti e applicazioni IoT, aggiungendo persino funzionalità di sicurezza che fino a oggi sembravano appartenere soltanto alla fantascienza.