Fiber-shaped batteries

The development of wearable electronics and smart textiles requires flexible and lightweight energy storage systems that can be seamlessly integrated into fabrics. This thesis presents the fabrication and characterization of fiber-shaped zinc–silver (Ag–Zn) batteries employing a poly(vinyl alcohol) (PVA)-based gel polymer electrolyte designed for textile applications. The work focuses on optimizing the electrolyte composition, enhancing electrode–electrolyte interfacial stability, and improving the electrochemical cycling performance of the device. Conductive nylon fibers were used as flexible substrates and coated by electrodeposition of zinc (anode) and silver (cathode) under controlled conditions, achieving Faradaic efficiencies above 90%. The PVA-based gel electrolyte was formulated with KOH (3–9 M) and ZnO (0.05–0.2 M) as ionic species, while glycerol and polyethylene glycol (PEG 200) were introduced as humectants to improve water retention and long-term stability. Additional additives such as sodium citrate and potassium acetate were evaluated as complexing agents to mitigate dendrite formation and enhance zinc reversibility. Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) confirmed high ionic conductivities up to 230 mS cm⁻¹ for optimized formulations. Water-loss analysis demonstrated that humectant incorporation reduced evaporation by over 40%, ensuring improved dimensional and electrochemical stability. Cyclic voltammetry, plating/stripping, and charge–discharge tests revealed that higher KOH concentration (9 M) and the presence of humectants significantly enhanced reversibility and coulombic efficiency. Surface coatings based on MXene and nanocellulose were also explored to improve adhesion and mitigate silver ion migration. The optimized Ag–Zn fiber battery achieved stable cycling for 100 cycles with coulombic efficiency close to 90%, although the delivered capacities remain below the theoretical values due to diffusion and interfacial limitations inherent to the gel configuration. Nevertheless, these results confirm the feasibility of integrating safe, flexible, and efficient fiber-shaped batteries into wearable textile systems, providing useful insights for the design of next-generation energy storage devices for smart fabrics.

Lo sviluppo dell’elettronica indossabile e dei tessuti intelligenti richiede sistemi di accumulo di energia flessibili e leggeri, facilmente integrabili nei tessuti. Questa tesi presenta la realizzazione e caratterizzazione di batterie a filo zinco–argento (Ag–Zn) basate su un elettrolita gel polimerico a base di poli(alcol vinilico) (PVA), appositamente progettato per applicazioni tessili. Il lavoro si concentra sull’ottimizzazione della composizione dell’elettrolita, sul miglioramento della stabilità all’interfaccia elettrodo–elettrolita e sull’analisi delle prestazioni elettrochimiche del dispositivo. Fili di nylon conduttivi sono stati utilizzati come substrati flessibili e ricoperti mediante elettrodeposizione di zinco (anodo) e argento (catodo) in condizioni controllate, ottenendo efficienze faradiche superiori al 90%. L’elettrolita gel a base di PVA è stato formulato con KOH (3–9 M) e ZnO (0.05–0.2 M) come specie ioniche, mentre glicerolo e polietilenglicole (PEG 200) sono stati aggiunti come agenti umettanti per migliorare la ritenzione d’acqua e la stabilità a lungo termine. Additivi complessanti come citrato di sodio e acetato di potassio sono stati inoltre valutati per ridurre la formazione di dendriti e migliorare la reversibilità dello zinco. Le misure di spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS) hanno confermato conduttività ioniche elevate fino a 230 mS cm⁻¹ per le formulazioni ottimizzate. Le analisi di perdita d’acqua hanno mostrato che l’introduzione di umettanti riduce l’evaporazione di oltre 40%, garantendo maggiore stabilità dimensionale ed elettrochimica. Le prove di voltammetria ciclica, plating/stripping e carica–scarica hanno evidenziato che una maggiore concentrazione di KOH (9 M) e la presenza di umettanti migliorano sensibilmente la reversibilità e l’efficienza coulombica. Sono stati inoltre esplorati rivestimenti superficiali a base di MXene e nanocellulosa per aumentare l’adesione e limitare la migrazione ionica dell’argento. La batteria a filo Ag–Zn ottimizzata ha mostrato una ciclabilità stabile per 100 cicli con un’efficienza coulombica prossima al 90%, sebbene le capacità ottenute risultino ancora inferiori ai valori teorici, a causa di limitazioni diffusionali e interfaciali proprie della configurazione a gel. Nonostante ciò, i risultati confermano la fattibilità di integrare batterie a filo sicure, flessibili ed efficienti nei tessuti indossabili, fornendo indicazioni utili per la progettazione di dispositivi di accumulo di nuova generazione destinati ai tessuti intelligenti.