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Principi base delle batterie: un cambiamento ecocompatibile

Se state leggendo questo post, è molto probabile che abbiate vissuto avendo sempre a portata di mano una confezione di batterie AA per la fotocamera digitale o per il Game Boy Nintendo. E probabilmente avete anche comprato a un certo punto quelle piccole batterie tonde a bottone per gli orologi da polso. Le batterie sono ancora intorno a noi oggi. Le utilizziamo nei nostri giocattoli telecomandati, nei rilevatori di fumo, nei laptop, nei tablet e negli smartphone. Si stanno anche facendo strada nuove applicazioni per le batterie, di risposta alle tendenze di mercato come lo smaltimento sicuro. I cerotti per il monitoraggio continuo del glucosio (CGM), le etichette intelligenti per la spedizione dei pacchi e le carte di pagamento con display dotati di pin di sicurezza sempre diversi sono tutti esempi di nuove applicazioni delle batterie per le quali lo smaltimento sicuro è una priorità assoluta.

Batterie a celle primarie e a celle secondarie a confronto

Perché questo viaggio dal passato al futuro? Se avete fatto esperienza di qualcuna delle applicazioni passate o emergenti che ho descritto sopra, sapete già qualcosa sulle due categorie di batterie più comuni: quelle primarie e quelle secondarie. Le batterie a celle primarie non sono ricaricabili. Le batterie AA utilizzate dalla vostra vecchia fotocamera digitale o la batteria a bottone CR2032 che rimetteva in marcia l'orologio di vostro padre sono esempi di batterie a celle primarie. Al contrario, la batteria del vostro smartphone, verosimilmente agli ioni di litio (Li-ion), è ricaricabile. Le batterie ricaricabili sono conosciute come batterie a celle secondarie. In sintesi:

  • Batterie a celle primarie: non ricaricabili; a questa categoria appartengono, tra le altre, le batterie alcaline e al litio.
  • Batterie a celle secondarie: ricaricabili; a questa categoria appartengono, tra le altre, le batterie agli ioni di litio (Li-ion), al nichel cadmio (NiCd) e al nichel-metallo idruro (NiMH).

Entrambe le tipologie immagazzinano un sacco di energia per le loro dimensioni, ma presentano inconvenienti sia sotto il profilo della potenza sia della tutela dell'ambiente. Le batterie al litio a celle primarie, ad esempio, storicamente hanno avuto una maggiore densità energetica rispetto alle loro controparti ricaricabili agli ioni di litio ma devono essere smaltite dopo un solo utilizzo (Sciencing). E, sebbene la possibilità di ricaricare le batterie a celle secondarie possa sembrare inizialmente un vantaggio per l'ambiente, va anche detto che dopo essere state ricaricate molte volte anch'esse smettono di funzionare e devono essere buttate.

Un'alternativa ecologica: le batterie monouso a film sottile

(Immagine per gentile concessione di Molex)

Il panorama delle batterie comprende molti tipi e sottotipi, ma sono le batterie a film sottile, flessibili e stampate, che si stanno guadagnando una crescente attenzione da parte del mercato dell'Internet delle cose, dei dispositivi indossabili e dei sensori ambientali (IDTechEx). Per semplicità, ci concentreremo sulla categoria generale delle batterie a film sottile, flessibili e stampate, note come batterie a film sottile allo stato solido. Il nome ci fornisce qualche indicazione in più rispetto al tipo di batteria di cui ci stiamo occupando. Le batterie allo stato solido sono esattamente come dice il loro nome: solide; non contengono perciò gelatina o liquidi al loro interno (Qnovo). Le batterie a film sottile sono realizzate con strati molto sottili o film di materiali, caratteristica che contribuisce alla loro estrema flessibilità ed esercita un grande richiamo sugli operatori del settore dei prodotti indossabili. Molte di queste batterie a film sottile allo stato solido rispondono alle esigenze del mercato per quanto riguarda lo spessore ridotto e la flessibilità ma la loro composizione chimica, spesso, è ancora a base di litio o di altre sostanze che le rendono potenzialmente tossiche per l'ambiente.

La diffusione e la tossicità di alcune batterie divengono problematiche se consideriamo le quantità che vengono smaltite ogni anno. Con l'aumento della domanda di dispositivi elettronici come laptop e smartphone è cresciuto anche il loro contributo ai rifiuti prodotti ogni anno (Sciencing). Le batterie in genere non sono biodegradabili e se smaltite in maniera disattenta possono rilasciare metalli tossici e sostanze chimiche nel terreno. Molti paesi si sono dotati di normative sullo smaltimento delle batterie e offrono programmi di riciclaggio, che contribuiscono a recuperare il metallo che contengono, frenando in parte l'impatto negativo sull'ambiente dovuto alla loro eliminazione.

Le normative sullo smaltimento delle batterie, insieme al crescente bisogno di alimentare e collegare un numero crescente di dispositivi all'Internet delle cose, stanno spingendo le aziende a studiare metodi alternativi a quelli basati su composizioni chimiche pericolose, che siano in grado di garantire sicurezza e sostenibilità. Una soluzione di questo tipo arriva da Molex e dalla sua nuova linea di batterie a film sottile. A differenza delle loro analoghe al litio, queste batterie contengono diossido di zinco manganese e sono più sicure e facili da smaltire per l'utente finale.

Confronto tra batterie: vantaggi e svantaggi del film sottile

Comprendere i benefici e i limiti delle batterie a film sottile a base di diossido di zinco manganese è la chiave per individuare i tipi di applicazioni in cui sarebbero più utili rispetto ad altre batterie analoghe ma a base di litio. Dal grafico sottostante, il raffronto tra le capacità rende evidente che le batterie a film sottile a base di diossido di zinco manganese di Molex danno i migliori risultati in applicazioni che hanno requisiti bassi di capacità e per le quali la sicurezza e la comodità dello smaltimento sono una priorità.

(Immagine per gentile concessione di Molex)

Ciò che il grafico sopra non mostra è il costo attuale delle batterie a film sottile rispetto, ad esempio, alle celle a bottone CR2032 da 3 V. Una ricerca veloce su queste celle a bottone nei siti web dei distributori di componenti elettronici ci dice che il prezzo al dettaglio si aggira sul dollaro per volumi ridotti e su meno di 50 centesimi per volumi nell'ordine delle migliaia. Il confronto è con le batterie a film sottile, in cui il prezzo di vendita è generalmente ancora in dollari, rispetto ai centesimi. La differenza di prezzo può essere attribuita alla maturità del mercato delle batterie a bottone nonché agli elevati volumi venduti a livello globale. Sono ancora necessari molti anni di sviluppo prima che le batterie a film sottile possano competere con i costi di produzione inferiori o con l'elevata domanda delle celle a bottone.

Vale la pena anche sottolineare gli ambiti in cui le batterie di Molex del tipo Zn-MnO2 superano in prestazioni altre batterie con la stessa composizione chimica. Come potete vedere nel grafico seguente, la composizione chimica è identica ma le batterie a film sottile di Molex hanno superato di gran lunga le loro analoghe a film sottile prodotte dalla concorrenza sia per capacità sia per corrente di picco massima.

(Immagine per gentile concessione di Molex)

Le batterie a film sottile al lavoro

Esempi tratti dalla vita reale ci aiutano a capire in quali applicazioni il profilo ribassato, la flessibilità, la riciclabilità e l'ingombro compatto delle batterie a film sottile sono molto apprezzati e dove possiamo prevedere che il loro mercato continuerà ad espandersi. Come accennato in precedenza, le batterie a film sottile stanno prendendo piede nelle applicazioni dell'Internet delle cose e industriali come l'etichettatura e il tagging intelligente, il monitoraggio delle merci deperibili e i sensori ambientali. Un caso particolarmente interessante consiste nell'uso di batterie a film sottile nei tag di temperatura intelligenti a frequenza ultra-alta (UHF). Questi tag sono delle dimensioni di una carta di credito e poco più spessi di un normale foglio di carta per la stampante. Vengono usati dai manager della logistica del freddo per i prodotti sensibili alla temperatura come quelli farmaceutici, i cibi deperibili e i fiori (Enfucell). Questi tag di temperatura intelligenti utilizzano una combinazione di tecnologie tra cui RFID, rilevamento intelligente della temperatura e batterie a film sottile stampate per tracciare con precisione il tempo e la temperatura durante il trasporto e la conservazione dei prodotti (Enfucell).

Inoltre, il mercato dei beni di largo consumo, dei cosmetici e quello medico stanno sperimentando applicazioni per le batterie a film sottile. All'incrocio tra il mercato dei beni di largo consumo e quello dei cosmetici troviamo ad esempio la maschere oculari elettriche. La maschera dispone di un dispositivo a microcorrente composto da una batteria stampata flessibile, elettrodi, nastro adesivo e di un foglio protettivo (Enfucell). Posizionando la benda sulla pelle si crea immediatamente un circuito di corrente e la sostanza cosmetica fluisce dagli elettrodi attivi della maschera alla pelle (Enfucell). Altre applicazioni delle batterie a film sottile destinate al mercato dei beni di largo consumo sono i dispositivi indossabili di monitoraggio elettronici e per lo sport, compreso un sensore adesivo Bluetooth Low Energy (BLE) che si applica lateralmente sulla testa di una mazza da golf per misurare l'accelerazione e la velocità angolare (Enfucell). Le applicazioni mediche delle batterie a film sottile monouso includono i dispositivi diagnostici, di cura e di monitoraggio del paziente.

Negli ultimi 200 anni sono stati fatti molti progressi nello sviluppo di nuovi e diversi tipi di batterie per far fronte alle esigenze di un mondo sempre più affamato dell'energia necessaria ad alimentare il gran numero di dispositivi e di applicazioni che usiamo quotidianamente. Più di recente le aziende hanno iniziato a sviluppare batterie con materiali che si trovano in abbondanza, sostenibili e sicuri sia per l'ambiente sia per le persone. Le batterie a film sottile stampate e flessibili a base di sostanze chimiche organiche come il diossido di zinco manganese – vi rimandiamo a questo video – e di sostanze chimiche correlate sono la prova dell'affacciarsi di un futuro più ecocompatibile per le batterie. Il mercato industriale, dell'Internet delle cose, dei beni di largo consumo e medicale hanno già sperimentato con successo e realizzato prodotti alimentati da batterie a film sottile. Occorre concentrarsi sull'aumento della capacità e della producibilità di queste batterie ma la domanda che assilla gli sviluppatori è: in quale altro ambito possiamo usare le batterie a film sottile?

Informazioni su questo autore

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Halie Henley, Product Management Specialist, lavora in Molex dal 2016. Con altri Product Manager, lavora allo sviluppo e alla commercializzazione di nuovi prodotti, tra cui le soluzioni di interconnessione, batterie a film sottile, tracciabilità delle risorse e RFID. Halie ha conseguito una laurea in Entrepreneurial Management and Communication Arts e ha ricoperto diversi ruoli di project e product management con l'obiettivo di fare da liaison tra le necessità del cliente e le risorse ingegneristiche e produttive di Molex. Al di fuori del lavoro le piace viaggiare, leggere e praticare sport all'aria aperta come il bouldering e il calcio.

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