Paysage énergétique bistable pour un électrolyte ferroélectrique lithium-verre en contact avec une électrode négative en aluminium et procédé d'auto-cyclage dans une cellule électrochimique aluminium/verre lithium/cuivre. a) Variation de l'énergie potentielle avec du lithium plaqué conduisant à une capacité/auto-charge négative et à une résistance négative/auto-cyclage. b) Processus d'autocharge et d'autocyclage lors de l'alignement des dipôles dans l'électrolyte ferroélectrique en raison de la nécessité électrique d'aligner les niveaux de Fermi. Crédit :Braga et al.
Un nouveau type de batterie combine une capacité négative et une résistance négative au sein d'une même cellule, permettre à la cellule de s'auto-charger sans perdre d'énergie, ce qui a des implications importantes pour le stockage à long terme et une puissance de sortie améliorée pour les batteries.
Ces batteries peuvent être utilisées dans des communications à fréquence extrêmement basse et dans des dispositifs tels que des lumières clignotantes, bips électroniques, oscillateurs commandés en tension, onduleurs, alimentations à découpage, convertisseurs numériques et générateurs de fonctions, et éventuellement pour les technologies liées aux ordinateurs modernes.
Dans Examens de physique appliquée Helena Braga et ses collègues de l'Université de Porto au Portugal et de l'Université du Texas à Austin, déclarent fabriquer leur batterie très simple avec deux métaux différents, comme électrodes et un électrolyte de verre au lithium ou au sodium entre eux.
"Le verre électrolyte que nous avons développé était riche en lithium, et donc j'ai pensé que nous pourrions faire une batterie dans laquelle l'électrolyte alimenterait les deux électrodes avec des ions lithium, en charge et décharge sans besoin de lithium métal, " dit Braga.
Ce travail est important, car il unifie la théorie derrière tous les appareils à semi-conducteurs, tels que les batteries, condensateurs, photovoltaïque et transistors - où les différents matériaux en contact électrique présentent les propriétés du matériau combiné au lieu de celles des matériaux individuels.
"Lorsque l'un des matériaux est un isolant ou un diélectrique, comme un électrolyte, il modifiera localement sa composition pour former des condensateurs capables de stocker de l'énergie et d'aligner les niveaux de Fermi au sein de l'appareil, " dit Braga.
Dans une batterie, la différence de potentiel en circuit ouvert entre les électrodes est due à un besoin électrique pour aligner les niveaux de Fermi, une mesure de l'énergie des électrons les moins serrés dans un solide, qui est également responsable de la polarité des électrodes. Les réactions chimiques viennent plus tard et sont alimentées par cette énergie potentielle électrique stockée dans les condensateurs.
"Nos cellules électrochimiques, qui sont en principe plus simples que les batteries, sont tout au sujet de l'auto-organisation, qui est la substance de la vie, ", a déclaré Braga.
Pour contribuer à un monde plus durable, l'auto-cyclage peut être arrêté ou atténué en ne permettant pas un saut dans les niveaux de Fermi ou en configurant une résistance négative.
"Cela peut être obtenu en ayant l'électrode négative du même matériau que les ions positifs de l'électrolyte, " a déclaré Braga. " Cela donne naissance à un appareil qui s'auto-charge sans cycle automatique - en augmentant l'énergie stockée - par opposition à la dégradation naturelle du processus électrochimique qui fait diminuer l'énergie stockée par dissipation de chaleur. Ce dernier trouve des applications dans tous les dispositifs de stockage d'énergie, tels que les batteries et les condensateurs, et peut considérablement améliorer leur autonomie.
