I moduli allo stato solido rivoluzioneranno la ricarica dei nostri dispositivi hi-tech, come i telefonini, grazie al lavoro dei ricercatori e alle qualità di un elettrolita in vetro
Se le batterie degli smartphone odierni hanno fatto un bel balzo in avanti rispetto al passato, presto le cose potrebbero migliorare ancora. Un gruppo di ricercatori è infatti al lavoro per creare quella che si porrà come la prima batteria auto-ricaricante al mondo, in formato mini. Capace di combinare capacità e resistenza all’interno della stessa cella, questa batteria permetterebbe alla cella stessa di auto-caricarsi senza perdere energia. Se al momento un artefatto del genere può essere, almeno in laboratorio, usato per dare corrente a dispositivi a bassissima frequenza, come luci intermittenti, segnali acustici elettronici, oscillatori, inverter, alimentatori a commutazione, presto la soluzione farebbe la sua comparsa negli oggetti hi-tech più comuni, come gli smartphone, tablet e notebook.
In un numero di “Applied Physics Reviews”, rivista della AIP Publishing, Helena Braga e i colleghi dell’Università di Porto e dell’Università del Texas, riferiscono di aver realizzato una batteria molto semplice con due metalli diversi, con elettrodi e un elettrolita di vetro ferroelettrico all’interno di una cella elettrochimica per creare semplici batterie autocaricanti.
«L’elettrolita di vetro che abbiamo sviluppato è ricco di litio, e quindi capace di alimentare entrambi gli elettrodi con ioni di litio, caricando e scaricando senza necessità di litio metallico». Questo lavoro è significativo, perché unisce la teoria alla base di tutti i dispositivi a stato solido, tra cui batterie, condensatori, fotovoltaico e transistor, in cui i diversi materiali a contatto elettrico mostrano le proprietà del materiale combinato anziché quelle dei singoli materiali.
«Quando uno dei materiali è un isolante o 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». Il livello di Fermi è il livello occupato da maggior energia allo zero assoluto: in altri termini, tutti i livelli energetici fino al livello di Fermi sono occupati da elettroni.
In una batteria, la differenza di potenziale del circuito aperto tra gli elettrodi è dovuta alla necessità elettrica di allineare i livelli di Fermi, una misura dell’energia degli elettroni meno stretti all’interno di un solido, che è anche responsabile della polarità degli elettrodi. Le reazioni chimiche che arrivano dopo sono alimentate da questa energia elettrica potenziale, immagazzinata nei condensatori. «Le nostre celle elettrochimiche, che in linea di principio sono più semplici delle batterie, sono tutte auto-organizzate» spiega Braga. Per contribuire a un mondo più sostenibile, l’auto-carica ciclica può essere anche fermata, quando non serve, configurando una resistenza negativa.
«Ciò può essere ottenuto tenendo l’elettrodo negativo allo stesso livello degli ioni positivi dell’elettrolita. Così diamo origine a un dispositivo che si carica da solo senza auto-ciclo, con un aumento dell’energia immagazzinata, al contrario del naturale degrado del processo elettrochimico che fa diminuire l’energia per dissipazione del calore. Un progetto che trova applicazioni in tutti i dispositivi di accumulo dell’energia, potendone migliorare decisamente l’autonomia».
