Dagli USA arriva il “Gel Metallico”: la scoperta (casuale) che può cambiare le batterie ad alta temperatura

I metalli sono la spina dorsale della tecnologia moderna. Sono apprezzati per la loro forza e conduttività. Finora, però, nessuno era riuscito a trasformare il metallo in un gel. Non stiamo parlando di gel per capelli o disinfettanti, ma di un materiale interamente metallico che si comporta come un solido pur contenendo metallo liquido al suo interno.

I ricercatori della Texas A&M University, Charles Borenstein e Dr. Michael J. Demkowicz. hanno creato proprio questo: il primo gel metallico al mondo. Una scoperta che, come spesso accade nelle cose serie, è stata quasi casuale, ma che potrebbe risolvere un problema tecnico notevole nel campo dello stoccaggio energetico, specialmente quello ad altissime temperature.

Come si crea un “Gel” di Metallo?

A differenza dei gel comuni, che utilizzano materiali organici per trattenere liquidi a temperatura ambiente, questo gel è fatto interamente di metalli e si forma solo a temperature estreme, spesso intorno ai 1.000 °C.

Il processo è, in linea di principio, semplice:

1. Si mescolano le polveri di due metalli diversi (ad esempio, Tantalio e Rame).
2. Si riscalda la miscela fino al punto di fusione di uno solo dei due metalli (il Rame).
3. Il secondo metallo (il Tantalio) rimane solido e forma una sorta di impalcatura, uno scheletro ultrafine.
4. Il metallo fuso (Rame) rimane intrappolato all’interno di questa impalcatura.

Il risultato è un materiale che all’esterno appare solido, ma che al suo interno contiene un liquido.

“I gel metallici non erano mai stati riportati prima, probabilmente perché nessuno pensava che i metalli liquidi potessero essere supportati da uno scheletro interno,” ha affermato il Dr. Michael J. Demkowicz, che ha guidato la ricerca. “La cosa sorprendente è che quando il componente maggioritario, il rame, è stato fuso, non è semplicemente collassato in una pozzanghera”.

Il prof Borstein opera con la fornace ad alta temperatura per creare il gel

La soluzione per le batterie a metallo liquido (LMB)

Ma a cosa serve un metallo gelatinoso che funziona a 1000°C? La risposta sta nelle Batterie a Metallo Liquido (LMB).

Queste batterie sono molto promettenti per lo stoccaggio di grandi quantità di energia. Utilizzano strati di metallo fuso al posto degli elettrodi solidi tradizionali. Il vantaggio principale è la durata: essendo liquidi, non si usurano e non si degradano fisicamente come le batterie convenzionali.

Tuttavia, hanno un “bug” fondamentale:

• Il punto debole: Devono rimanere immobili, stazionarie.
• Il motivo: Se la batteria si muove (ad esempio, su una nave o un veicolo), i liquidi all’interno “sciabordano” e possono entrare in contatto, causando un cortocircuito.

Qui entra in gioco il gel metallico. Utilizzando questo nuovo materiale per creare gli elettrodi, il metallo liquido rimane bloccato nella sua impalcatura solida. Il gel risolve il problema dello “sciabordio”.

Questo apre la strada all’uso delle LMB in sistemi mobili che possono gestire (o che già producono) calore elevato, come grandi navi o veicoli industriali pesanti.

I due ricercatori

Un prototipo funzionante

Per testare l’idea, i ricercatori hanno costruito una piccola batteria prototipo:

• Anodo (Polo -): Un gel di Calcio liquido e Ferro solido.
• Catodo (Polo +): Un gel di Bismuto liquido e Ferro solido.
• Elettrolita: Un sale fuso per permettere il passaggio della carica.

Il prototipo ha funzionato: ha prodotto elettricità e gli elettrodi, sebbene per lo più liquidi, hanno mantenuto la loro forma cubica senza collassare o mescolarsi. Quindi la soluzione, almeno a livello di prototipo, funziona.

Scoperta nata dalla curiosità

Come accennato, il team non stava cercando di inventare un gel. Demkowicz e lo studente di dottorato Charles Borenstein stavano semplicemente studiando come si comportano i compositi metallici quando vengono riscaldati.

Borenstein ha testato una miscela di 25% tantalio e 75% rame, portandola al punto di fusione del rame. “Non è successo niente, il che mi ha confuso,” ha detto. Il rame fuso non è colato via. Ulteriori test hanno rivelato che qualsiasi miscela con più del 18% di tantalio manteneva la sua forma di gel.

Solo dopo aver capito la struttura tramite scansioni micro-TC ad alta risoluzione, il team ha compreso di avere per le mani qualcosa di nuovo e ha spostato la ricerca su materiali più pratici per le batterie (ferro, bismuto, calcio).

Il potenziale è notevole. Si parla persino di alimentare veicoli ipersonici, che operano a temperature estreme dove una batteria a metallo liquido molto calda potrebbe, paradossalmente, trovarsi a suo agio.

Domande e Risposte

1. Ma questo gel è “morbido” e “freddo” come un gel per le mani? No, affatto. È “gel” solo in senso strutturale: una componente liquida (metallo fuso) è intrappolata in una matrice solida (un altro metallo). A temperatura ambiente, l’intero blocco è perfettamente solido. Diventa un “gel metallico” solo quando raggiunge temperature altissime (es. 1000°C) sufficienti a fondere uno dei due metalli, ma non l’altro. Mantiene la forma di un solido, ma contiene un liquido.

2. Perché queste batterie non si possono usare nelle auto elettriche comuni? Per la temperatura operativa. Le batterie a metallo liquido (LMB) funzionano a centinaia, o persino migliaia, di gradi Celsius. Gestire questo calore estremo in un’auto passeggeri è inefficiente, complesso e potenzialmente pericoloso. Sono invece ideali per applicazioni industriali su larga scala (navi, grandi impianti di stoccaggio, veicoli industriali pesanti) dove il calore può essere gestito più facilmente o è addirittura un sottoprodotto di altri processi.

3. Qual è il vero vantaggio di queste batterie rispetto a quelle al litio? Principalmente la durata e, potenzialmente, i materiali. Le batterie al litio si degradano chimicamente e fisicamente con i cicli di carica/scarica. Le batterie a metallo liquido, avendo elettrodi che sono già liquidi, non subiscono la stessa usura fisica e possono teoricamente durare molto più a lungo (migliaia di cicli) con una degradazione minima. Inoltre, l’uso di metalli comuni come ferro, calcio e bismuto potrebbe renderle più economiche e sostenibili del litio e del cobalto per lo stoccaggio stazionario o navale su larga scala.

Rimani aggiornato seguendoci su Google News!

SEGUICI