يعمل يي كوي على تسخير قوة علم النانو لتنمية هياكل صغيرة للغاية - والتي تلعب دورًا كبيرًا في التحول إلى الطاقة النظيفة
في مباراة مصارعة بين ليمور فأر قزم وغوريلا، يشير الحدس إلى أن الرئيسيات الأكبر حجمًا هي التي ستفوز. إن فكرة أن الحجم يساوي القوة تجد صدى أيضًا في الخيال العلمي، والتي تم تصويرها في أعمال مثل رواية عام 1956 الرجل المنكمش والفيلم 1989 العسل، وأنا منكمش الاطفالكلاهما يستكشفان مدى رعب العالم إذا أصبح البشر فجأة أصغر من النمل.
يقلب علم النانو هذه الاتفاقية رأسًا على عقب: فمع انخفاض حجم المواد إلى المقياس النانوي، يمكنها في الواقع إظهار قوة متزايدة. ما هو حجم النانومتر الواحد؟ جزء من مليار من المتر، أو تقريبًا مقدار نمو أظافرك في ثانية واحدة. يصل سمك ورقة واحدة إلى 100,000 نانومتر.
كرس يي كوي، أستاذ علوم وهندسة المواد لدى مؤسسي فورتينت، ما يقرب من عقدين من الزمن لإطلاق العنان لإمكانات علم النانو لإحداث ثورة في جانب محوري من التحول إلى الطاقة النظيفة: تخزين البطاريات.
في حين أن بطاريات الليثيوم أيون ترتبط عادة بالأجهزة المحمولة - الهواتف المحمولة وأجهزة تنظيم ضربات القلب - فإن الطلب على البطاريات كثيفة الطاقة يتزايد في عالم إزالة الكربون. إن التحول إلى السيارات والطائرات الكهربائية، وهو أمر بالغ الأهمية لتقليل الاعتماد على الوقود الأحفوري، يتوقف على تطوير بطاريات قوية. ومع اعتماد المزيد من الأسر والشركات على الطاقة الشمسية، هناك حاجة متزايدة إلى بطاريات كبيرة كثيفة الطاقة قادرة على تخزين الطاقة الزائدة لاستخدامها طوال الليل أو أثناء الظروف الجوية السيئة.
على عكس خلايا الوقود - وهي من أهم المتسابقين الآخرين في التحول إلى الطاقة النظيفة - توفر البطاريات ميزة الاستفادة من البنية التحتية الحالية للكهرباء. ولكنها تمثل أيضًا تحديات، وهي السلامة والتكلفة. يجب أن يتحمل أي حل بطارية قابل للتطبيق جميع ظروف درجات الحرارة الممكنة وأن يكون غير مكلف بما يكفي ليتم اعتماده على نطاق واسع.
أدخل علم النانو. يمكن للخصائص الفيزيائية والكيميائية للمواد أن تتغير بشكل كبير على المستوى النانوي، ويرجع ذلك جزئيًا إلى ميكانيكا الكم وزيادة نسبة مساحة السطح إلى الحجم. على سبيل المثال، في حين أن الكربون على المستوى الكبير يمكن أن يشكل، على سبيل المثال، الجرافيت القابل للقطع الموجود في قلم الرصاص، فإن الكربون على المستوى النانوي أقوى من الفولاذ. وبالمثل، فإن الألومنيوم، الذي يكون مستقرًا بكميات كبيرة، يصبح قابلاً للاحتراق عند مقياس النانو. بالنسبة ليي كوي، فإن مثل هذه التغييرات الجذرية على المستوى النانوي تفتح الطريق أمام الابتكار الرائد في تكنولوجيا البطاريات.
تتكون معظم البطاريات من موصلات مشحونة إيجابيا وسلبيا - الأنود والكاثود، على التوالي - معلقة في المنحل بالكهرباء. عندما تتحرك الأيونات بين الأنود والكاثود، يتم تفريغ الطاقة، وتوليد الطاقة.
لطالما كان السيليكون جذابًا باعتباره أنودًا محتملاً لأنه يتمتع بكثافة طاقة أكبر وتكلفة أقل بكثير من أنودات الجرافيت المستخدمة في الغالب في بطاريات الليثيوم أيون. ومع ذلك، يزداد حجم السيليكون بنسبة 400 بالمائة عند إدخال الليثيوم واستخلاصه، مما يؤدي إلى تدمير البطارية.
الحل الإبداعي لـ Cui؟ جعل المواد أصغر. استخدم عملية البخار والسائل والصلب (VLS) لتنمية أسلاك السيليكون النانوية، والتي تتضمن تعريض محفزات الجسيمات النانوية المعدنية لغاز السيليكون عند درجات حرارة تتراوح بين 400-500 درجة مئوية، وإذابة السيليكون إلى جسيمات نانوية حتى تتشكل قطرات سائلة.
يقول كوي: "استمر بإضافة ذرات السيليكون إلى هذه القطرة، وسوف تتشبع بشكل فائق وتترسب في شكل أسلاك نانوية صلبة من السيليكون". "إنها آلية جميلة وأنيقة حقًا لصنع هذه الأسلاك."
يمكن أن تتحمل أقطاب أسلاك السيليكون النانوية الجديدة ضغطًا كبيرًا دون التدهور السريع الذي يحدث للسيليكون بكميات كبيرة، مما يسمح بالعديد من دورات الشحن والتفريغ. نظرًا لأن السيليكون يخزن الليثيوم أكثر بعشر مرات من الجرافيت باعتباره أنودًا، فإن هذا يسمح بمضاعفة كمية الطاقة تقريبًا في بطارية كاملة الحجم.
نشر كوي هذه النتائج في ورقة بحثية تاريخية في عام 2008. بالإضافة إلى إظهار أنه من الممكن إنشاء بطارية ليثيوم أيون مع أنود السيليكون النقي، كانت الورقة رائدة بشكل فعال في مجال علم النانو لتخزين الطاقة.
مطاردة "الكأس المقدسة" لتخزين الطاقة
ووفقا لتسوي، فإن بطاريات الليثيوم المعدنية هي "الكأس المقدسة" لأبحاث البطاريات. إنهم محور التركيز الأساسي لاتحاد Battery500، وهو مجموعة من الباحثين من المختبرات الوطنية والأوساط الأكاديمية والصناعة التي تهدف إلى زيادة طاقة البطاريات، والسماح بمزيد من دورات الشحن/التفريغ، وتقليل تكلفة البطارية - وكلها أمور ضرورية لتحقيق القسم. أهداف الطاقة للطاقة المحايدة للكربون والكهرباء. يقول تسوي، المدير المشارك لشركة Battery500، إن معدن الليثيوم يوفر قدرة أكبر حتى من بطاريات أيون الليثيوم ذات أنود السيليكون.
أمضى كوي سنوات في البحث عن أداة تصوير يمكنها تقديم نظرة ثاقبة لمعدن الليثيوم ومواد البطاريات الأخرى. وبما أن حزم الإلكترونات المنبعثة من المجاهر الإلكترونية تدمر معدن الليثيوم، فإن مراقبة السمات الرئيسية على المقياس الذري كانت مستحيلة. على وجه الخصوص، أراد كوي فحص الطور البيني للإلكتروليت الصلب لمعدن الليثيوم، وهي طبقة من المواد التي تتشكل بين الأنود والإلكتروليت السائل.
عندما كان باحثًا في مرحلة ما بعد الدكتوراه في بيركلي، تعلم كوي عن الفحص المجهري الإلكتروني بالتبريد (cryo-EM)، وهي تقنية طورها علماء الأحياء البنيوية لدراسة الجزيئات الحيوية مثل البروتينات، لكن الدقة المكانية كانت بعيدة كل البعد عن ما هو مطلوب لدراسة معدن الليثيوم. وبعد عشر سنوات، أدرك أن التقدم في تكنولوجيا cryo-EM يمكن أن يحدث ثورة في أبحاث البطاريات.
إن استعداد Cui للنظر في الأساليب خارج الصندوق وخارج الانضباط قد أتى بثماره. استغرق مختبره أربعة أشهر فقط لتطوير تقنية cryo-EM لتصوير معدن الليثيوم. ومن خلال تبريد المادة إلى درجة حرارة النيتروجين السائل، تمكن كوي من التقاط الصور الأولى على الإطلاق لمعدن الليثيوم والطور البيني المنحل بالكهرباء الصلب الخاص به على المقياس الذري. يسلط هذا التصوير عالي الدقة الضوء على طبيعة تشعبات الليثيوم، التي تتسبب في حدوث ماس كهربائي في بطاريات معدن الليثيوم، مما يسمح لتسوي بقياس المسافة بين الذرات (سبع نانومتر).
"لم يكن أحد يصدق ذلك في البداية!" يضحك كوي، متذكرًا مدى صعوبة إقناع المراجعين النظراء بذلك علوم أن هذه كانت في الواقع صورًا لمعدن الليثيوم.
"عندما لا أجد الحل، أترك المشكلة معلقة هناك. ثم سأفكر في الأمر مرة أخرى بعد أسبوع أو أشهر. يقول كوي: "وهذا يمكن أن يستمر لعقود من الزمن". "لكن لدي مثال حيث اكتشفت الأمر أخيرًا بعد عقد من الزمن."
"
عندما لا أتمكن من العثور على الحلول، أترك المشكلة معلقة هناك.
ثم سأفكر في الأمر مرة أخرى بعد أسبوع أو أشهر. ويمكن أن يستمر هذا لعقود. ولكن لدي مثال حيث، بعد مرور عقد من الزمان، اكتشفت ذلك أخيرًا.
يي كوي
نموذج أولي للبطارية في مختبر Cui.
في مواجهة المشكلات الأكثر تحديًا، فإن كوي على استعداد للمثابرة بل ويستمتع بالقيام بذلك - وهي صفة حيوية لعالم يواجه تغير المناخ.
ويقول: "بالطبع، يشعر الكثير من الناس بالخوف لأن المشكلة كبيرة جدًا لدرجة أنهم يشعرون بالقلق من عدم وجود حل، ويصبحون متشائمين". "أنا متفائل لأنني أعتقد أننا سنكون قادرين على إيجاد الحلول".
استدامة الحياة + تسريع الحلول
استدامة الحياة + تسريع الحلول: التأثير
لماذا يهم
تعد البطاريات الآمنة وغير المكلفة ذات كثافة الطاقة العالية ضرورية للانتقال إلى الطاقة النظيفة. يمكن لأبحاث كوي أن تساعد في مكافحة تغير المناخ عن طريق تخزين طاقة الرياح والطاقة الشمسية، وتقليل الاعتماد على الوقود الأحفوري، وتحقيق أهداف الاستدامة المحورية.
ماذا بعد
بالإضافة إلى الأبحاث المستمرة في مختبره، سيستفيد تسوي من خبرته كرائد أعمال كمدير جديد لمسرع الاستدامة في جامعة ستانفورد، والذي يهدف إلى دفع ترجمة حلول التكنولوجيا والسياسات إلى العالم الحقيقي.
لماذا ستانفورد
قبل أن يكمل كوي زمالة ما بعد الدكتوراه في بيركلي، كان قد تلقى حوالي عشرة عروض عمل ثابتة. ومع ذلك، كان يعلم أنه يريد الذهاب إلى جامعة ستانفورد بعد أول مقابلة له في الحرم الجامعي. لقد أدرك البيئة التعاونية الفريدة للمدرسة وعلاقتها الحيوية بالصناعة.
- محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
- أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
- أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
- أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
- المصدر https://genesisnanotech.wordpress.com/2024/03/26/stanford-universitys-battery-super-power/
