„Niekas nemanė, kad tai įmanoma.“ Išsprendė problemą, ribojusią galingiausius akumuliatorius

Laikas medžiagai, kuri atrodo kaip gelis, tačiau vietoj vandens ir polimerų sudaryta vien tik iš metalų. Teksaso mokslininkams pavyko sukurti tokį darinį, nors dar visai neseniai tai atrodė neįmanoma. Kalbama apie metalinį gelį, galintį atlaikyti ekstremalias sąlygas. Šis atradimas gali reikšmingai paveikti energijos kaupimo technologijų ateitį.

Netikėtas atradimas atliekant įprastus tyrimus

Šios medžiagos istorija prasidėjo nuo paprasto eksperimento laboratorijoje. Tyrėjų komanda stebėjo, kaip elgiasi vario ir tantalo kompozitai, veikiami aukštos temperatūros. Kai Charlesas Borensteinas įdėjo mėginį į krosnį, įkaitintą iki vario lydymosi temperatūros, jis tikėjosi, kad metalas tiesiog išsilydys. Tačiau vėlesnės analizės parodė, jog gelinę struktūrą išlaikantis efektas pasireiškia tada, kai tantalo tūris viršija 18 procentų. Aukštos raiškos mikro-CT skenavimas patvirtino, kad tantalas sukuria mikroskopinį atraminį tinklą, kuris savo porose sulaiko skystą varį.

Skirtingai nei įprasti geliai, su kuriais susiduriame kasdien, metalinis gelis susiformuoja itin aukštoje temperatūroje. Jo gamybos procesas susideda iš dviejų metalinių miltelių sumaišymo ir kaitinimo iki maždaug 1000 °C. Tokiose sąlygose vienas metalas tampa skystas, o kitas išlieka kietas, sudarydamas vidinį karkasą.

„Metalinių gelių anksčiau niekas nebuvo užfiksavęs – tikriausiai todėl, kad niekas nemanė, jog skysti metalai gali būti palaikomi vidinio, itin smulkios struktūros karkaso“, – pažymi Michaelas J. Demkowiczius iš Teksaso A&M universiteto.

Nors vario ir tantalo derinys nėra praktiškas baterijoms, jis leido mokslininkams suprasti, kokie mechanizmai lemia šios neįprastos struktūros susidarymą. Kitas tyrimų etapas buvo išbandyti šią koncepciją su metalais, naudojamais akumuliatoriuose.

Naujos galimybės mobiliosioms energijos sistemoms

Akumuliatoriai, kuriuose naudojami skysti metalai, gali sukaupti gerokai daugiau energijos nei populiarūs ličio jonų elementai. Iki šiol jų naudojimą ribojo jautrumas judesiui – skystam metalui judant įrenginio viduje, kildavo trumpojo jungimo ir galios praradimo pavojus. Dėl to tokios baterijos tiko tik stacionariems įrenginiams. Metalinis gelis šią problemą išsprendžia. Tyrėjų komanda sukūrė baterijos prototipą su dviem elektrodais kubo formos. Anodą sudarė skysto kalcio ir kietos geležies mišinys, o katodą – skysto bismuto ir geležies derinys. Panardintas į išlydytą druską, veikiančią kaip elektrolitas, šis įrenginys generavo elektros energiją ir išlaikė stabilią formą.

Tai atveria kelią tokioms technologijoms naudoti laivuose, sunkiuose pramoniniuose įrenginiuose ar net hipergarsiniuose orlaiviuose, veikiančiuose itin aukštoje temperatūroje. Demkowiczius taip pat mato galimybę sukurti gelinį kompozitinį elektrolitą – išlydytos druskos sistemą, palaikomą keramikinio karkaso. Tokia konstrukcija dar labiau padidintų mobiliųjų skystojo metalo akumuliatorių saugumą ir stabilumą.

Nuo atsitiktinio atradimo įprastų bandymų metu iki veikiančio prototipo – Teksaso mokslininkai parodė, kad proveržiai dažnai gimsta netikėtai. Jų sukurtas metalinis gelis gali tapti pagrindu naujos kartos energijos kaupimo sistemoms, kurios bus ne tik efektyvesnės, bet ir iš tiesų mobilios.