Panorama energetico bistabile per un elettrolita ferroelettrico vetro-litio a contatto con un elettrodo negativo alluminio e processo di auto-ciclaggio in una cella elettrochimica alluminio/vetro litio/rame. a) Variazione dell'energia potenziale con litio placcato che porta a capacità/autocarica negativa e resistenza/autociclismo negativa. b) Processi di autocarica e autociclaggio all'allineamento dei dipoli nell'elettrolita ferroelettrico dovuti alla necessità elettrica di allineare i livelli di Fermi. Credito:Braga et al.
Un nuovo tipo di batteria combina capacità negativa e resistenza negativa all'interno della stessa cella, permettendo alla cellula di autocaricarsi senza perdere energia, che ha importanti implicazioni per la conservazione a lungo termine e una migliore potenza di uscita per le batterie.
Queste batterie possono essere utilizzate nelle comunicazioni a frequenza estremamente bassa e in dispositivi come luci lampeggianti, cicalini elettronici, oscillatori controllati in tensione, inverter, alimentatori a commutazione, convertitori digitali e generatori di funzioni, ed eventualmente per le tecnologie relative ai computer moderni.
In Recensioni di fisica applicata Helena Braga e colleghi dell'Università di Porto in Portogallo e dell'Università del Texas ad Austin, riferiscono di realizzare la loro semplicissima batteria con due metalli diversi, come elettrodi e un elettrolita di vetro al litio o di sodio tra di loro.
"L'elettrolita di vetro che abbiamo sviluppato era ricco di litio, e così ho pensato che avremmo potuto realizzare una batteria in cui l'elettrolita alimentasse entrambi gli elettrodi con ioni di litio, in carica e scarica senza bisogno di litio metallico, " disse Braga.
Questo lavoro è significativo, perché unifica la teoria alla base di tutti i dispositivi a stato solido, come batterie, condensatori, fotovoltaico e transistor, dove i diversi materiali in contatto elettrico mostrano le proprietà del materiale combinato anziché quelle dei singoli materiali.
"Quando uno dei materiali è un isolante o un dielettrico, come un elettrolita, cambierà localmente la sua composizione per formare condensatori in grado di immagazzinare energia e allineare i livelli di Fermi all'interno del dispositivo, " disse Braga.
In una batteria, la differenza di potenziale a circuito aperto tra gli elettrodi è dovuta alla necessità elettrica di allineare i livelli di Fermi, una misura dell'energia degli elettroni meno strettamente tenuti all'interno di un solido, che è anche responsabile della polarità degli elettrodi. Le reazioni chimiche vengono dopo e sono alimentate da questa energia potenziale elettrica immagazzinata nei condensatori.
"Le nostre celle elettrochimiche, che in linea di principio sono più semplici delle batterie, riguardano l'auto-organizzazione, che è la sostanza della vita, " ha detto Braga.
Per contribuire a un mondo più sostenibile, l'autociclismo può essere interrotto o mitigato non permettendo un salto nei livelli di Fermi o configurando una resistenza negativa.
"Questo può essere ottenuto avendo l'elettrodo negativo dello stesso materiale degli ioni positivi dell'elettrolita, " ha detto Braga. "Dà origine a un dispositivo che si autocarica senza auto-ciclare - aumentando l'energia immagazzinata in esso - in contrasto con la naturale degradazione del processo elettrochimico che fa diminuire l'energia immagazzinata per dissipazione di calore. Quest'ultimo ha applicazioni in tutti i dispositivi di accumulo di energia, come batterie e condensatori, e possono migliorare sostanzialmente la loro autonomia."
