Металлический гель: революция в аккумуляторах

Исследователи из Техасского университета A&M разработали первый в своем роде металлический гель. Этот уникальный материал, в отличие от привычных гелей, состоит исключительно из металлов и способен выдерживать экстремальные температуры, что открывает новые перспективы в области хранения энергии.

Процесс создания геля заключается в смешивании двух металлических порошков. При нагревании один из металлов переходит в жидкое состояние, образуя основу, в то время как второй металл остается твердым, формируя микроскопическую каркасную структуру. Жидкий металл остается заключенным внутри этой сетки, создавая материал, который выглядит твердым, но по сути содержит жидкость.

В отличие от обычных гелей, используемых в быту (например, в санитайзерах или косметике), которые поддерживают жидкую фазу при комнатной температуре благодаря органическому каркасу, металлические гели требуют очень высоких температур. Температура плавления может достигать около 1000 градусов Цельсия, в зависимости от используемых металлов.

"Металлические гели ранее не описывались, вероятно, потому, что никто не предполагал, что жидкие металлы могут удерживаться ультратонким внутренним скелетом," – отметил доктор Майкл Дж. Демкович, профессор Департамента материаловедения и инженерии, возглавлявший исследование. "Удивительно, что в данном случае основной компонент – медь – расплавляясь, не просто образовал лужу, как это сделал бы чистый металл".

Металлические гели, полученные из высокореактивных металлов с сильным электроотрицательным взаимодействием, могут служить электродами для жидкометаллических аккумуляторов (ЖМБ). Высокая реактивность таких металлов способствует эффективной работе аккумулятора.

Жидкометаллические аккумуляторы – это особый тип батарей, способных хранить и высвобождать большие объемы электрической энергии. Вместо твердых материалов они используют слои жидкого металла. Благодаря своей жидкой природе, компоненты ЖМБ изнашиваются медленнее, чем в традиционных аккумуляторах. На данный момент ЖМБ в основном применяются в стационарных системах, например, для резервного питания зданий. Однако подвижность жидких компонентов затрудняла их использование в движущихся объектах из-за риска короткого замыкания.

Разработанные металлические гели способны удерживать жидкий металл, что делает возможным применение ЖМБ в транспортабельных системах – от больших судов до тяжелой промышленной техники, способной работать при высоких температурах.

В ходе эксперимента была создана лабораторная версия аккумулятора с электродами из смеси жидкого кальция и твердого железа (анод) и жидкого висмута с железом (катод). Помещение электродов в расплавленную соль, проводящую электрический заряд, привело к успешной работе аккумулятора. Электроды сохранили свою форму и генерировали электричество.

Исследование, опубликованное в журнале Advanced Engineering Materials, началось с изучения поведения композитов меди и тантала. serendipitous открытие произошло случайно, когда исследователи заметили, что состав с более чем 18% тантала сохраняет гелеобразную форму даже при температуре плавления меди. Дальнейшее изучение с помощью микро-КТ-сканирования подтвердило формирование каркаса из тантала, удерживающего жидкую медь.

Команда планирует дальнейшие исследования для применения металлических гелей в ЖМБ для транспортных средств, а также рассматривает возможность использования гелеобразных композитных электролитов. Потенциальные области применения включают питание гиперзвуковых летательных аппаратов, работающих при экстремальных температурах.