ژل فلزید نسل تازه‌ای از باتری‌های قابل‌حمل را تولید کرد!

به گزارش مجله خبری نگار/برنا،دانشمندان دانشگاه تگزاس موفق به ساخت نخستین ژل فلزی جهان شدند؛ ماده‌ای شگفت‌انگیز که می‌تواند انقلابی در فناوری باتری‌های فلزی مایع و ذخیره‌سازی انرژی ایجاد کند. این دستاورد که توسط گروهی از پژوهشگران دانشکده علوم و مهندسی مواد دانشگاه A&M تگزاس به سرپرستی مایکل دمکوویچ و دانشجوی دکتری چارلز بورنستاین حاصل شده، دروازه‌ای به سوی نسل تازه‌ای از مواد ترکیبی باز می‌کند که همزمان خواص مایع و جامد را در خود دارند.

تولد ماده‌ای جدید از دل یک آزمایش تصادفی

این پژوهش در ابتدا با هدف بررسی رفتار ترکیبات فلزی در دمای بالا آغاز شد. در یکی از آزمایش‌ها تیم پژوهشی ترکیبی از فلز‌های مس و تانتالوم را تحت حرارت قرار داد. در این فرایند مس به حالت مایع درآمد، اما تانتالوم جامد باقی ماند و به‌صورت داربستی میکروسکوپی ساختاری مستحکم ایجاد کرد. نکته شگفت‌انگیز زمانی پدیدار شد که فلز مایع مس در میان این چارچوب جامد به دام افتاد و ساختاری ژل‌مانند تشکیل داد که بدون از بین رفتن شکل خود ویژگی‌های هر دو حالت ماده را دارا بود.

به گفته‌ی دمکوویچ ژل‌های فلزی پیش از این هرگز گزارش نشده بودند، احتمالا، چون کسی تصور نمی‌کرد بتوان فلزات مایع را درون یک اسکلت درونی بسیار ریز نگه داشت. نکته جالب اینجاست که زمانی که بخش اصلی ترکیب یعنی مس ذوب شد، انتظار می‌رفت به شکل یک puddle فروبریزد، اما این اتفاق نیفتاد.

ژل‌های متداول مانند آنچه در محصولات آرایشی یا شوینده‌ها دیده می‌شود، از ترکیبات آلی تشکیل شده‌اند که در دمای اتاق پایدارند. اما ژل فلزی برای تشکیل و پایداری به دما‌های بسیار بالا در حدود ۱۰۰۰ درجه سانتی‌گراد (۱۸۳۲ درجه فارنهایت) نیاز دارد. این ویژگی آن را برای استفاده در محیط‌های با حرارت بالا، مانند سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی یا فرایند‌های صنعتی با نیاز به رسانایی و دوام بالا، منحصر‌به‌فرد می‌کند.

کاربرد در باتری‌های فلزی مایع

پژوهشگران برای آزمودن کارایی عملی این ماده از ژل فلزی به‌عنوان الکترود در یک باتری فلزی مایع (LMB) استفاده کردند. باتری‌های فلزی مایع معمولاً انرژی را با کارایی بالا ذخیره می‌کنند، اما به دلیل جابه‌جایی مایع درون خود، تنها برای سامانه‌های ثابت کاربرد دارند؛ زیرا در صورت حرکت احتمال بروز اتصال کوتاه و اختلال وجود دارد.

ژل فلزی راه‌حلی نوین ارائه می‌دهد: این ماده بخش مایع باتری را بدون افت کارایی در جای خود ثابت نگه می‌دارد و امکان ساخت باتری‌های قابل حمل یا قابل انتقال را فراهم می‌کند.

در نمونه آزمایشگاهی، یکی از الکترود‌ها از ترکیب کلسیم مایع و آهن جامد ساخته شد و الکترود دیگر از بیسموت مایع و آهن. هر دو الکترود درون نمک مذاب قرار گرفتند و ضمن حفظ پایداری ساختاری خود، موفق به تولید برق شدند.

مسیر تازه برای نسل آینده انرژی

با استفاده از فناوری میکرو-CT با وضوح بالا، محققان توانستند ساختار درونی ژل فلزی را مشاهده کنند و دریافتند که تانتالوم در قالب داربستی مستحکم، مس مایع را درون حفره‌های میکروسکوپی به دام انداخته است. هرچند ترکیب مس و تانتالوم برای کاربرد‌های تجاری باتری مناسب نیست، اما این آزمایش پایه‌ای علمی برای شناخت و طراحی مواد جدید فراهم کرده است.

پژوهشگران معتقدند این کشف می‌تواند مسیر توسعه مواد فلزی هیبریدی جدید و سامانه‌های ذخیره انرژی پایدار با ظرفیت بالا را هموار کند. چنین باتری‌هایی در آینده می‌توانند انرژی مورد نیاز کشتی‌ها، ماشین‌آلات صنعتی یا سایر محیط‌های با دمای بالا را تامین کنند.

به گفته‌ی تیم تحقیقاتی این تنها آغاز راه است؛ زیرا ژل‌های فلزی می‌توانند در طراحی نسل تازه‌ای از تجهیزات انرژی، الکترونیک مقاوم در برابر حرارت و حتی صنایع فضایی نقشی بنیادی ایفا کنند.