Podczas rutynowych eksperymentów z kompozytami metali zespół badaczy z Texas A&M University natrafił na coś zupełnie nieoczekiwanego. Charles Borenstein umieścił mieszankę miedzi i tantalu w piecu rozgrzanym do temperatury topnienia miedzi, spodziewając się, że materiał po prostu się rozpadnie. Ku jego zaskoczeniu, nic takiego nie nastąpiło – zamiast tego powstał pierwszy na świecie żel metaliczny.
Żel metaliczny odmieni branżę energetyczną?
Ten niezwykły materiał wygląda jak ciało stałe, ale w swojej strukturze zawiera płynny metal. Co jeszcze bardziej imponujące, zachowuje stabilność w temperaturach sięgających 1000oC, co stanowi prawdziwy test wytrzymałości dla jakiegokolwiek materiału. W przeciwieństwie do żeli organicznych, z którymi mamy do czynienia na co dzień, ten wynalazek składa się wyłącznie z metali.
Czytaj też: Tego jeszcze nie było. Pierwszy na świecie sensowny akumulator wodorkowy
Dalsze badania przyniosły kolejne fascynujące odkrycia. Okazało się, że każda mieszanka zawierająca ponad 18 proc. tantalu utrzymywała żelową formę. Zaawansowane skanowanie mikro-CT ujawniło wewnętrzną strukturę, w której tantal tworzy solidne rusztowanie utrzymujące płynną miedź w mikroskopijnych przestrzeniach.
Żel metaliczny może rozwiązać jeden z głównych problemów trapiących akumulatory z płynnym metalem. Te zaawansowane systemy magazynowania energii wykorzystują stopione warstwy metalu zamiast tradycyjnych stałych elektrod, co przekłada się na ich dłuższą żywotność. Dotychczasowe ograniczenie polegało na tym, że podczas ruchu płyn wewnątrz akumulatora przemieszczał się, powodując ryzyko zwarć. Elektrody z nowego żelu metalicznego utrzymują ciekły metal w miejscu, co otwiera drogę do wykorzystania tej technologii w systemach mobilnych.
Naukowcy przetestowali koncepcję, budując prototyp ogniwa z anodą z mieszanki płynnego wapnia i stałego żelaza oraz katodą z płynnego bizmutu i żelaza. Po umieszczeniu w roztopionej soli układ nie tylko generował energię elektryczną, ale także zachował kształt i funkcjonalność elektrod.
Potencjalne zastosowania tego materiału sięgają jednak znacznie dalej niż tylko tradycyjne akumulatory. Można go wykorzystać w dużych statkach, gdzie wysokie temperatury nie stanowią problemu, ciężkich pojazdach przemysłowych wymagających niezawodnych źródeł energii, a szczególnie obiecująco wygląda perspektywa zastosowania w pojazdach hipersonicznych działających w ekstremalnie wysokich temperaturach.
Technologia wciąż znajduje się na wczesnym etapie rozwoju i wymaga ekstremalnych temperatur do funkcjonowania, co może ograniczać jej powszechne zastosowanie. Z drugiej strony, w specyficznych warunkach, gdzie inne materiały zawiodły, żel metaliczny może okazać się niezastąpiony.
Równie istotne jest to, że nowy materiał może wspierać elektrolity z roztopionej soli, umożliwiając bezpieczny przepływ jonów w akumulatorach nowej generacji. To z kolei otwiera możliwości dla całkowicie nowych architektur systemów magazynowania energii.