Ce nouveau matériau résistant à la chaleur pourrait révolutionner le stockage d’énergie, rendant les batteries à métal liquide sûres pour les applications mobiles.
Des chercheurs de l’université Texas A&M ont mis au point le premier gel métallique connu à ce jour. Contrairement aux gels courants, tels que ceux utilisés dans les désinfectants pour les mains, les produits capillaires ou les lentilles de contact souples, ce nouveau matériau est entièrement composé de métaux et peut résister à des températures extrêmes. Cette découverte pourrait révolutionner le stockage de l’énergie.
Le gel est créé en mélangeant deux poudres métalliques. Lorsqu’il est chauffé, l’un des métaux fond et se transforme en liquide, tandis que l’autre reste solide et forme une structure microscopique. Le métal liquide reste piégé à l’intérieur de cette structure, créant un matériau semblable à un gel qui semble solide mais contient du liquide à l’intérieur.
Les gels courants sont des matériaux semi-solides contenant une structure organique qui maintient les liquides en place à température ambiante. Contrairement à eux, les gels métalliques nécessitent des températures très élevées qui, selon les métaux utilisés, peuvent atteindre environ 1 000 degrés Celsius ou 1 832 degrés Fahrenheit.
« Les gels métalliques n’ont jamais été signalés auparavant, probablement parce que personne ne pensait que les métaux liquides pouvaient être soutenus par un squelette interne ultrafin », a dit le Dr Michael J. Demkowicz, professeur au département des sciences et de l’ingénierie des matériaux, qui a dirigé la recherche. « Ce qui est surprenant dans ce cas, c’est que lorsque le composant majoritaire, le cuivre, a été fondu en liquide, il ne s’est pas simplement effondré en une flaque. C’est ce qu’aurait fait du cuivre pur ».
Les gels métalliques fabriqués à partir de métaux hautement réactifs présentant une forte attraction électrique, appelée électronégativité, peuvent être utilisés comme électrodes dans les batteries à métal liquide (LMB). En termes simples, ces métaux sont très réactifs et se lient facilement à d’autres matériaux, ce qui contribue au bon fonctionnement de la batterie.
Les LMB sont des types spéciaux de batteries qui stockent et libèrent de grandes quantités d’énergie électrique. Au lieu d’utiliser des matériaux solides comme la plupart des batteries, elles utilisent des couches de métal liquide. Comme les composants sont liquides, ils ne s’usent pas aussi rapidement que les batteries classiques.
Jusqu’à présent, les LMB ont principalement été utilisées dans de grands systèmes fixes, tels que l’alimentation de secours pour les bâtiments qui doivent continuer à fonctionner pendant une panne de courant. Elles n’ont pas été utilisées dans des systèmes mobiles, car le liquide qu’elles contiennent se déplace lorsque la batterie bouge. Cela peut provoquer un court-circuit, ce qui signifie que la batterie perd de sa puissance électrique.
C’est là que les électrodes en gel métallique entrent en jeu. En maintenant le métal liquide en place, elles pourraient permettre d’utiliser les LMB dans des applications mobiles, telles que l’alimentation de grands navires ou de véhicules industriels lourds capables de supporter en toute sécurité la chaleur de ces batteries.
Pour tester cette idée, les chercheurs ont construit une petite version de laboratoire de la batterie à l’aide de deux électrodes cubiques. L’une était composée d’un mélange de calcium liquide et de fer solide, qui servait d’anode, et l’autre de bismuth liquide et de fer, qui servait de cathode. Placée dans un sel fondu, un liquide chaud qui permet à la charge électrique de circuler entre les deux, la batterie a fonctionné avec succès. Elle a produit de l’électricité, et les électrodes, principalement liquides, ont conservé leur forme et ont continué à fonctionner comme prévu.
La recherche a été menée par une équipe dirigée par Michael Demkowicz et Charles Borenstein, doctorant et premier auteur d’un article publié dans Advanced Engineering Materials.
Michael Demkowicz et Charles Borenstein ont déclaré que ce qui avait commencé comme une exploration des comportements des composites métalliques de cuivre et de tantale avait abouti à cette découverte fortuite.
« Nous explorions simplement différentes méthodes de traitement des composites par la chaleur », a dit Michael Demkowicz. « Au départ, nous voulions simplement voir si cela pouvait survivre jusqu’à ce que l’un des composants fonde. »
Charles Borenstein a d’abord placé un composite composé de 25 % de tantale et de 75 % de cuivre dans un four chauffé à la température de fusion du cuivre.
« Il ne s’est rien passé, ce que j’ai trouvé assez déroutant », a-t-il commenté, soulignant que le cuivre ne s’était pas écoulé et n’avait pas formé de flaque. « Nous avons été très surpris par ces résultats. »
Après avoir testé d’autres pourcentages des deux métaux, il a découvert que toute combinaison des métaux avec un volume de tantale supérieur à 18 % conservait sa forme de gel.
L’étape suivante consistait à apporter la nouvelle structure dans un laboratoire équipé d’un scanner micro-CT à très haute résolution afin d’examiner l’intérieur du gel métallique. Bien que le cuivre et le tantale ne soient pas des candidats idéaux pour les électrodes, ils le sont pour le scanner CT. Comme prévu, le tantale a formé une structure solide en échafaudage retenant le cuivre liquide dans ses lacunes.
C’est alors que l’équipe a orienté ses recherches vers les matériaux de batterie que sont le fer, le bismuth et le calcium, et a démontré la faisabilité du gel métallique LMB.
Michael Demowicz a conclu qu’un LMB conçu pour des applications transportables pourrait également utiliser un électrolyte composite de type gel, tel qu’un sel fondu soutenu par une structure céramique, à travers lequel les ions de l’électrode pourraient passer.
Il a souligné d’autres applications potentielles pour les LMB, notamment une qui, selon lui, serait particulièrement intéressante à développer : l’alimentation d’un véhicule hypersonique, comme ceux qui font actuellement l’objet d’une étude de faisabilité au sein du Consortium for Applied Hypersonics de l’université Texas A&M. Les véhicules hypersoniques fonctionnent à des températures extrêmement élevées et pourraient théoriquement être alimentés par un LMB très chaud.
Article : « Shape-Preserving Metallic Gels with Applications as Electrodes for Liquid Metal Batteries » – DOI : 10.1002/adem.202500738
Source : Texas A&M
