Carburante liquido per i computer del futuro

I ricercatori dell'ETH di Zurigo e dell'IBM Research di Rüschlikon hanno creato una minuscola batteria a flusso. In futuro potrebbe essere utilizzata per alimentare e raffreddare contemporaneamente le pile di chip per computer, in cui i singoli chip sono impilati l'uno sull'altro per risparmiare spazio. In una batteria a flusso, una reazione elettrochimica viene utilizzata per generare elettricità da due elettroliti liquidi. Questi vengono pompati nella cella della batteria dall'esterno attraverso un circuito di tubi.

"I chip sono virtualmente alimentati da un combustibile liquido e producono la propria elettricità da esso", spiega Dimos Poulikakos, professore di termodinamica presso l'ETH di Zurigo. Poiché gli scienziati utilizzano due liquidi noti per essere adatti sia come elettroliti per batterie a flusso che come refrigeranti, il calore in eccesso può anche essere dissipato dallo stack di chip attraverso lo stesso circuito.

La batteria progettata dagli scienziati è sottile solo circa 1,5 millimetri. L'idea sarebbe quella di costruire pile di chip a strati: un chip per computer, poi la sottile microcella della batteria che alimenta il chip e lo raffredda, poi il successivo chip per computer e così via.

Prestazioni elevate da record

Le batterie a flusso esistenti (vedi riquadro) sono enormi e vengono utilizzate principalmente come sistemi di accumulo su larga scala, ad esempio in combinazione con impianti eolici e solari, per immagazzinare temporaneamente l'energia prodotta in modo da poterla utilizzare in momenti diversi. "Siamo i primi scienziati a costruire una batteria a flusso così piccola che combina alimentazione e raffreddamento", spiega Julian Marschewski, dottorando del gruppo di Poulikakos.

Inoltre, la potenza della nuova microbatteria è da record rispetto alle sue dimensioni: 1,4 watt per centimetro quadrato di superficie della batteria. Se si sottrae la potenza necessaria per pompare gli elettroliti liquidi nella batteria, la densità di potenza netta è ancora di 1 watt per centimetro quadrato.

Come hanno dimostrato i ricercatori nell'esperimento, i liquidi elettrolitici sono effettivamente in grado di raffreddare un chip: Sono persino in grado di dissipare un'energia termica molte volte superiore a quella che la batteria converte in energia elettrica (e che viene convertita in energia termica durante il funzionamento del chip).

Sistema di canali ottimizzato con la stampa 3D

Secondo gli scienziati, la sfida più grande nella costruzione della nuova microbatteria a flusso è stata quella di progettarla in modo da poterla rifornire di elettroliti nel modo più efficiente possibile, mantenendo al contempo la potenza di pompaggio più bassa possibile. "Abbiamo dovuto trovare il compromesso ottimale", spiega Marschewski.

Le reazioni elettrochimiche nella batteria avvengono in due strati elettrodici sottili e porosi, separati da una membrana. Marschewski e i suoi colleghi hanno utilizzato la stampa 3D per costruire un sistema di canali polimerici per spingere il liquido elettrolitico nello strato poroso dell'elettrodo nel modo più efficiente possibile. Tra i vari modelli analizzati, il più adatto si è rivelato quello costituito da canali conicamente convergenti.

Interessante anche per i sistemi di grandi dimensioni

Gli scienziati hanno ora fornito la prima prova di concetto per la costruzione di una piccola batteria a flusso. Sebbene la densità di potenza della nuova micro-batteria a flusso sia molto elevata, l'elettricità prodotta non è sufficiente per alimentare un chip di computer. Per poter essere utilizzata in uno stack di chip, la batteria a flusso deve essere ulteriormente ottimizzata da partner industriali.

Come sottolineano gli scienziati, il nuovo approccio è interessante anche per altre applicazioni, come i laser. Perché anche questi devono essere alimentati con energia e raffreddati. Oppure per le celle solari: L'elettricità prodotta potrebbe essere immagazzinata direttamente nella cella e utilizzata in seguito quando necessario. Allo stesso tempo, il sistema potrebbe ottimizzare la temperatura di funzionamento della cella solare. Inoltre, l'approccio ottimizzato di guida dei liquidi elettrolitici attraverso gli elettrodi porosi potrebbe migliorare anche le batterie a flusso di grandi dimensioni.