Gel kim loại nguyên chất mở ra cánh cửa cho pin kim loại lỏng mạnh mẽ hơn
Trường Kỹ thuật Đại học Texas A&M
Một lò nung hình ống nung nóng vật liệu bên trong một ống thạch anh kín để nghiên cứu các biến đổi pha và phát triển vật liệu kim loại thế hệ tiếp theo. Nguồn: Emily Oswald/Texas A&M Engineering
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Texas A&M đã phát triển loại gel kim loại đầu tiên được biết đến. Không giống như các loại gel thông thường, như gel được sử dụng trong nước rửa tay, sản phẩm chăm sóc tóc hoặc kính áp tròng mềm, vật liệu mới này được làm hoàn toàn bằng kim loại và có thể chịu được nhiệt độ cực cao. Khám phá này có thể là một bước ngoặt trong lĩnh vực lưu trữ năng lượng.
Công trình được công bố trên tạp chí Advanced Engineering Materials.
Gel được tạo ra bằng cách trộn hai loại bột kim loại. Khi được nung nóng, một kim loại tan chảy thành chất lỏng, trong khi kim loại còn lại vẫn ở trạng thái rắn và tạo thành một khung vi mô. Kim loại lỏng bị giữ lại bên trong cấu trúc này, tạo ra một vật liệu giống như gel trông có vẻ rắn nhưng bên trong lại chứa chất lỏng.
Gel thông thường là vật liệu bán rắn chứa một khung hữu cơ giữ chất lỏng tại chỗ ở nhiệt độ phòng. Không giống như chúng, gel kim loại đòi hỏi nhiệt độ rất cao, tùy thuộc vào kim loại được sử dụng, có thể vào khoảng 1.000 độ C hoặc 1.832 độ F.
"Gel kim loại chưa từng được báo cáo trước đây, có lẽ vì không ai nghĩ rằng kim loại lỏng có thể được hỗ trợ bởi một bộ khung siêu mịn bên trong", Tiến sĩ Michael J. Demkowicz, giáo sư tại Khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu, người đứng đầu nghiên cứu, cho biết.
"Điều đáng ngạc nhiên trong trường hợp này là khi thành phần chính - đồng - được nấu chảy thành chất lỏng, nó không chỉ đơn giản là vỡ vụn thành một vũng nước. Đó là điều mà đồng nguyên chất sẽ làm", ông giải thích.
Gel kim loại được làm từ các kim loại có khả năng phản ứng cao với lực hút điện mạnh, được gọi là độ âm điện, có thể được sử dụng làm điện cực trong pin kim loại lỏng (LMB). Nói một cách đơn giản, những kim loại này rất phản ứng và dễ dàng liên kết với các vật liệu khác, giúp pin hoạt động hiệu quả.
LMB là loại pin đặc biệt có khả năng lưu trữ và giải phóng một lượng lớn năng lượng điện. Thay vì sử dụng vật liệu rắn như hầu hết các loại pin khác, chúng sử dụng các lớp kim loại lỏng. Vì các bộ phận ở dạng lỏng nên chúng không bị mòn nhanh như pin thông thường.
Cho đến nay, pin LMB chủ yếu được sử dụng trong các hệ thống cố định lớn, chẳng hạn như nguồn điện dự phòng cho các ứng dụng xây dựng cần duy trì hoạt động trong thời gian mất điện. Chúng chưa được sử dụng trong các hệ thống chuyển động vì chất lỏng bên trong bị dịch chuyển khi pin di chuyển. Điều này có thể gây ra đoản mạch, đồng nghĩa với việc pin bị mất điện.
Đó chính là lúc các điện cực gel kim loại phát huy tác dụng. Bằng cách giữ kim loại lỏng cố định, chúng có thể giúp sử dụng pin LMB trong các vật thể chuyển động, chẳng hạn như cung cấp năng lượng cho tàu thuyền lớn hoặc xe công nghiệp hạng nặng, những thiết bị có thể chịu được nhiệt độ của loại pin này một cách an toàn.
Để thử nghiệm ý tưởng này, các nhà nghiên cứu đã chế tạo một phiên bản pin nhỏ trong phòng thí nghiệm, sử dụng hai điện cực hình khối. Một điện cực được làm từ hỗn hợp canxi lỏng và sắt rắn, đóng vai trò là cực dương, và điện cực còn lại được làm từ bismuth lỏng và sắt, đóng vai trò là cực âm.
Khi được đặt trong muối nóng chảy, một chất lỏng nóng cho phép điện tích chạy giữa hai vật liệu, pin đã hoạt động thành công. Nó tạo ra điện, và các điện cực chủ yếu là chất lỏng vẫn giữ nguyên hình dạng và hoạt động như mong đợi.
Nghiên cứu được thực hiện bởi một nhóm do Demkowicz và nghiên cứu sinh tiến sĩ Charles Borenstein, tác giả đầu tiên của bài báo, dẫn đầu.
Demkowicz và Borenstein cho biết, khởi đầu là việc khám phá các đặc tính của vật liệu composite kim loại đồng và tantali, đã dẫn đến khám phá tình cờ này.
"Chúng tôi chỉ đang khám phá các phương pháp xử lý vật liệu composite khác nhau bằng nhiệt", Demkowicz nói. "Ban đầu, tất cả những gì chúng tôi muốn làm là xem: Liệu vật liệu này có tồn tại được cho đến khi một trong các thành phần tan chảy không?"
Ban đầu, Borenstein cho một vật liệu composite gồm 25% tantali và 75% đồng vào lò nung nóng đến nhiệt độ nóng chảy của đồng.
"Không có gì xảy ra, điều này khiến tôi thấy hơi khó hiểu", ông nói, đồng thời lưu ý rằng đồng không bị chảy ra và đọng lại. "Chúng tôi khá bất ngờ trước những kết quả này."
Sau khi thử nghiệm các tỷ lệ phần trăm khác của cả hai kim loại, ông nhận thấy rằng bất kỳ sự kết hợp nào của các kim loại có thể tích tantali trên 18% vẫn giữ được dạng gel.
Bước tiếp theo là đưa cấu trúc mới vào phòng thí nghiệm với máy quét vi mô CT có độ phân giải rất cao để kiểm tra bên trong gel kim loại. Mặc dù đồng và tantali không phải là ứng cử viên lý tưởng cho điện cực, nhưng chúng lại phù hợp cho việc quét CT. Đúng như dự đoán, tantali đã tạo thành một cấu trúc giàn giáo vững chắc giữ đồng lỏng bên trong các khoảng trống của nó.
Đó là lúc nhóm nghiên cứu chuyển hướng nghiên cứu sang vật liệu pin sắt, bismuth và canxi, và chứng minh tính khả thi của LMB gel kim loại.
Demkowicz cho biết LMB được chế tạo cho các ứng dụng vận chuyển cũng có thể sử dụng chất điện phân tổng hợp dạng gel, chẳng hạn như muối nóng chảy được hỗ trợ bởi xương sống gốm, qua đó điện cực
Các ion của Rode có thể đi qua.
Ông đã nêu bật các ứng dụng tiềm năng khác cho LMB, bao gồm một ứng dụng mà ông cho biết sẽ đặc biệt thú vị để nghiên cứu: cung cấp năng lượng cho phương tiện siêu thanh, giống như những ứng dụng đang được nghiên cứu khả thi tại Liên đoàn Siêu thanh Ứng dụng của Đại học Texas A&M. Các phương tiện siêu thanh hoạt động ở nhiệt độ cực cao và về mặt lý thuyết có thể được cung cấp năng lượng bởi LMB rất nóng.
Các đồng tác giả của bài báo là Tiến sĩ Brady G. Butler và Tiến sĩ James D. Paramore, giáo sư thỉnh giảng tại Texas A&M, và Tiến sĩ Karl T. Hartwig, giáo sư danh dự tại trường đại học này.
Chụp CT độ phân giải cao được thực hiện tại Cơ sở Chụp cắt lớp vi tính X-quang Độ phân giải cao của Đại học Texas ở Austin.
Thông tin thêm: Charles Borenstein và cộng sự, Gel kim loại bảo toàn hình dạng với ứng dụng làm điện cực cho pin kim loại lỏng, Vật liệu Kỹ thuật Tiên tiến (2025). DOI: 10.1002/adem.202500738
Được cung cấp bởi Khoa Kỹ thuật, Đại học Texas A&M
