Учёные создали первый в мире металлический гель для безопасных аккумуляторов

Учёные из Техасского университета A&M разработали первый в мире металлический гель — материал, способный выдерживать экстремальные температуры и потенциально кардинально изменить подходы к хранению энергии. В отличие от привычных гелей, основанных на органических полимерах и используемых в быту — например, в гелях для рук или контактных линзах, — новый материал полностью состоит из металлов. Его уникальность заключается в том, что при нагревании один из металлов переходит в жидкое состояние, а другой сохраняет твёрдую форму, образуя микроскопический каркас, внутри которого удерживается жидкий металл.

Исследование, возглавляемое профессором кафедры материаловедения и инженерии Майклом Демковичем и докторантом Чарльзом Боренштейном, началось с изучения поведения композитов на основе меди и тантала при высоких температурах. Изначально учёные просто хотели проверить, выдержит ли такая смесь нагрев до температуры плавления меди. Однако результат оказался неожиданным: расплавленная медь не растеклась, как это обычно происходит с чистым металлом, а осталась внутри структуры, образуя стабильную гелеобразную массу.

— Металлические гели никогда ранее не описывались, вероятно, потому что никто не предполагал, что жидкие металлы можно удержать с помощью внутреннего ультрадисперсного каркаса, — отметил Демкович.

По его словам, особенно удивило то, что даже при преобладании жидкой фазы — в данном случае меди — структура не разрушилась и не превратилась в лужу.

Дальнейшие эксперименты показали, что гелеобразное состояние сохраняется при объёмной доле тантала выше 18 процентов. Для детального изучения внутренней структуры материала исследователи воспользовались высокоразрешающим микроКТ-сканером в Университете Техаса в Остине. Сканы подтвердили наличие твёрдого каркаса из тантала, в порах которого удерживается расплавленная медь.

Хотя медь и тантал сами по себе не подходят для использования в аккумуляторах, открытие вдохновило команду применить аналогичный принцип к материалам, пригодным для электродов. В лабораторных условиях был собран прототип жидкостного металлического аккумулятора (LMB). В качестве анода использовалась смесь жидкого кальция и твёрдого железа, а в качестве катода — жидкий висмут с железным каркасом. Электролитом выступил расплавленная соль, способная проводить ионы при высоких температурах. Аккумулятор успешно выработал электричество, при этом электроды сохранили форму и функциональность.

Жидкостные металлические аккумуляторы известны своей способностью эффективно хранить и отдавать большие объёмы энергии, а также высокой долговечностью благодаря отсутствию износа жидких компонентов. Однако до сих пор их применение было ограничено стационарными системами — например, резервным питанием зданий, — поскольку в движущихся объектах жидкие электроды могли смещаться, вызывая короткое замыкание. Металлический гель может решить эту проблему, удерживая жидкую фазу в заданной геометрии.

По мнению учёных, такие аккумуляторы в перспективе могут применяться в транспортных системах, способных выдерживать высокие рабочие температуры, — например, на крупных судах или тяжёлой промышленной технике. Более амбициозной задачей, по словам Демковича, является использование подобных батарей для питания гиперзвуковых летательных аппаратов, разрабатываемых в рамках консорциума при университете. Эти аппараты функционируют в условиях экстремального нагрева, где обычные источники энергии оказываются непригодными.

Исследование, результаты которого опубликованы в журнале Advanced Engineering Materials, выполнено при поддержке Министерства энергетики США и Нацуправления по ядерной безопасности.