Zespół z Texas A&M odkrył, że podgrzewanie miedzi i tantalu powyżej konkretnej temperatury ma fascynujący efekt. Surowiec bowiem nie rozlał się, jak typowy metal, a zamiast tego utrzymał miękką metaliczną sieć z płynem uwięzionym wewnątrz. Takie właśnie dziwne zachowanie otworzyło drzwi, których chemia litowo-jonowa nigdy do końca nie zdołała otworzyć.
Zrobili metalowy żel, a ich apetyt na przeprowadzanie rewolucji wzrósł
Zwykłe żele to ciecze uwięzione w szkielecie organicznym (soczewki kontaktowe, żele do włosów). Zespół z Texas A&M zrobił ten sam trik, ale z metalami. Specjaliści wymieszali dwa proszki metali i podgrzali mieszaninę tak, by jeden składnik się stopił, a drugi pozostał stały i samorzutnie utworzył ultradrobny szkielet. Stopiony metal wsiąkł w ten szkielet i pozostał na miejscu, tworząc materiał, który wygląda na stały, a w ogromnej mierze jest ciekły w środku. W próbach z miedzią i tantalem “niemożliwy” moment nastąpił, gdy większościowy składnik, miedź, stopił się, ale nie zapadł w kałużę. Powyżej około 18 procent objętości tantalu żel zachowywał kształt nawet w okolicach 1000°C, czego w ogóle nie przewidywano i to jest właśnie sedno odkrycia.
Czytaj też: Miękkie i twarde tam, gdzie trzeba i kiedy trzeba. Naukowcy złamali największy kompromis robotyki
Publikacja na ten temat w Advanced Engineering Materials nazywa te struktury “zachowującymi kształt metalicznymi żelami”, a praca naukowców na tym się nie skończyła. Następnie bowiem przeszli do kombinacji istotnych elektrochemicznie i zbudowali elektrody wielkości monety, w których ciekły wapń był uwięziony w żelaznym szkielecie jako anoda, a ciekły bizmut w żelazie jako katoda. Połączyli je następnie w interfejsie z soli stopionej, aby przenosić jony między nimi, a maleńkie ogniwo tego typu produkowało moc, podczas gdy obie elektrody pozostawały nienaruszone i w większości ciekłe. Innymi słowy, położyli tym samym podwaliny pod akumulatory nowej generacji.
Dlaczego metaliczne żele są ważne dla akumulatorówz ciekłym metalen?
Baterie z ciekłym metalem składają dwie ciekłe elektrody metaliczne wokół stopionej soli, polegając na różnicach gęstości, by warstwy unosiły się osobno, zamiast się mieszać. Ich atutem jest brutalna prostota (brak kruchych separatorów czy siatek) co daje bardzo długą żywotność cykliczną i tolerancję na głębokie, częste cykle. Haczyk to temperatura. Większość praktycznych chemii pracuje na gorąco, aby metale i sól pozostawały stopione (typowo w oknie 450-550°C). Takie warunki są w porządku dla stacjonarnych kontenerów, ale są koszmarem dla platform ruchomych lub czegokolwiek, co może się przechylać, wibrować albo ulec wypadkowi, bo byle chlupnięcie może doprowadzić do zwarcia. Elektroda w żelu, która blokuje ciecz w miejscu, atakuje właśnie tę piętę achillesową wprost.
Czytaj też: Elektrony tańczące nad ciekłym helem to przyszłość technologii. EeroQ przełamuje barierę kriogeniczną
Zespół Texas A&M wskazuje wprost, co staje się możliwe, jeśli “unieruchomisz” ciecz. Wtedy do gry mogą wejść wysokotemperaturowe, które mogą pracować tam, gdzie lit cierpi, czyli w siłowniach dużych statków, ciężkich pojazdach przemysłowych, a może nawet w demonstratorach hipersonicznych, gdzie temperatura poszycia szybuje, a chłodzenie to luksus. Są to wprawdzie spekulacje, które wymagają twardych dowodów inżynierskich, ale opierają się one na jednej rzeczy, którą systemy z ciekłym metalem robią lepiej niż lit – wzruszają ramionami na ciepło i cykle.
Czytaj też: Twój następny telefon może działać dwa razy dłużej. Nowy typ akumulatora osiąga pojemność 605 mAh/g
Jeśli metaliczne żele uda się wytwarzać w skali, utrzymać ich mikrorusztowania przez tysiące cykli i sparować z elektrolitami z soli stopionych wspartymi ceramiką bez reakcji pasożytniczych, to drzwi do mobilnych akumulatorów ciekłometalowych otworzą się szerzej niż kiedykolwiek. Jednak nawet jeśli mobilność okaże się zbyt dużym krokiem, to takie elektrody mogą nadal uczynić stacjonarne systemy ciekłometalowe bardziej odporne na nadużycia i tańsze w transporcie, montażu i utrzymaniu.