Yi Cui nutzt die Kraft der Nanowissenschaften, um extrem kleine Strukturen zu züchten, die eine große Rolle bei der Umstellung auf saubere Energie spielen

Bei einem Ringkampf zwischen einem Zwergmausmaki und einem Gorilla geht die Intuition davon aus, dass der größere Primat gewinnen würde. Die Vorstellung, dass Größe gleich Stärke ist, findet auch in der Science-Fiction Resonanz und wird in Werken wie dem Roman von 1956 zum Ausdruck gebracht Der schrumpfende Mann und die 1989 Film Liebling, ich habe die Kinder geschrumpftBeide untersuchen, wie furchterregend die Welt wäre, wenn Menschen plötzlich kleiner als Ameisen wären.

Die Nanowissenschaften stellen diese Konvention auf den Kopf: Wenn Materialien in den Nanobereich verkleinert werden, können sie tatsächlich eine erhöhte Festigkeit aufweisen. Wie groß ist ein Nanometer? Ein Milliardstel Meter oder ungefähr, wie viel Ihre Fingernägel in einer Sekunde wachsen. Die Dicke eines einzelnen Blattes Papier beträgt unglaubliche 100,000 Nanometer.

Yi Cui, Fortinet-Gründerprofessor für Materialwissenschaften und -technik, hat fast zwei Jahrzehnte damit verbracht, das Potenzial der Nanowissenschaften zu erschließen, um einen entscheidenden Aspekt der Umstellung auf saubere Energie zu revolutionieren: die Batteriespeicherung.

Während Lithium-Ionen-Batterien häufig mit tragbaren Geräten wie Mobiltelefonen und Herzschrittmachern in Verbindung gebracht werden, wächst in der Welt der Dekarbonisierung die Nachfrage nach energiedichten Batterien. Der Übergang zu Elektroautos und -flugzeugen, der für die Verringerung der Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen von entscheidender Bedeutung ist, hängt von der Entwicklung leistungsstarker Batterien ab. Und da immer mehr Haushalte und Unternehmen Solarenergie nutzen, steigt der Bedarf an großen, energiedichten Batterien, die in der Lage sind, überschüssigen Strom für die Nutzung über Nacht oder bei widrigen Wetterbedingungen zu speichern.

Im Gegensatz zu Brennstoffzellen – einem weiteren Vorreiter bei der Umstellung auf saubere Energie – bieten Batterien den Vorteil, dass sie die vorhandene Strominfrastruktur nutzen. Sie bringen aber auch Herausforderungen mit sich, nämlich Sicherheit und Kosten. Jede brauchbare Batterielösung muss allen möglichen Temperaturbedingungen standhalten und kostengünstig genug sein, um weit verbreitet eingesetzt zu werden. 

Betreten Sie die Nanowissenschaften. Die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Materialien können sich auf der Nanoskala dramatisch ändern, was zum Teil auf die Quantenmechanik und ein größeres Verhältnis von Oberfläche zu Volumen zurückzuführen ist. Während beispielsweise Kohlenstoff auf der Makroskala beispielsweise den zerbrechlichen Graphit in Ihrem Bleistift darstellen könnte, ist Kohlenstoff auf der Nanoskala stärker als Stahl. Ebenso wird Aluminium, das in großen Mengen stabil ist, im Nanomaßstab brennbar. Für Yi Cui eröffnen solch radikale Veränderungen auf der Nanoskala den Weg für bahnbrechende Innovationen in der Batterietechnologie.

Die meisten Batterien bestehen aus positiv und negativ geladenen Leitern – einer Anode bzw. einer Kathode –, die in einem Elektrolyten schweben. Während sich Ionen zwischen der Anode und der Kathode bewegen, entlädt sich Energie und erzeugt Strom. 

Silizium ist als potenzielle Anode seit langem attraktiv, da es eine höhere Energiedichte aufweist und viel weniger kostet als die in Lithium-Ionen-Batterien überwiegend verwendeten Graphitanoden. Allerdings vergrößert sich das Volumen von Silizium beim Einsetzen und Herausziehen von Lithium um 400 Prozent, wodurch die Batterie zerstört wird. 

Cuis kreative Lösung? Die Materialien kleiner machen. Er nutzte ein Dampf-Flüssigkeit-Feststoff-Verfahren (VLS), um Silizium-Nanodrähte zu züchten. Dabei werden Metall-Nanopartikel-Katalysatoren bei Temperaturen von 400 bis 500 Grad Celsius Siliziumgas ausgesetzt und Silizium in Nanopartikel aufgelöst, bis sich Flüssigkeitströpfchen bilden. 

„Fügt man diesem Tröpfchen ständig Siliziumatome hinzu, wird es übersättigt und in Form eines festen Silizium-Nanodrahts ausgefällt“, sagt Cui. „Es ist ein wirklich schöner, eleganter Mechanismus zur Herstellung dieser Drähte.“ 

Diese neuen Silizium-Nanodraht-Elektroden könnten einer erheblichen Belastung standhalten, ohne dass es zu einer schnellen Zersetzung kommt, die bei Silizium in großen Mengen auftritt, was viele Lade- und Entladezyklen ermöglicht. Da Silizium als Anode zehnmal mehr Lithium speichert als Graphit, ermöglicht dies nahezu die doppelte Energiemenge in einer Batterie voller Größe. 

Cui veröffentlichte diese Ergebnisse 2008 in einem wegweisenden Artikel. Der Artikel zeigte nicht nur, dass es möglich war, eine Lithium-Ionen-Batterie mit einer Anode aus reinem Silizium herzustellen, sondern leistete auch Pionierarbeit auf dem Gebiet der Nanowissenschaften zur Energiespeicherung.

Auf der Suche nach dem „heiligen Gral“ der Energiespeicherung

Laut Cui sind Lithium-Metall-Batterien der „heilige Gral“ der Batterieforschung. Sie stehen im Mittelpunkt des Battery500-Konsortiums, einer Gruppe von Forschern aus nationalen Labors, der Wissenschaft und der Industrie, die darauf abzielt, die Energie von Batterien zu erhöhen, mehr Lade-/Entladezyklen zu ermöglichen und die Batteriekosten zu senken – alles entscheidend für die Verwirklichung der Abteilung der Ziele von Energy für CO500-neutrale Energie und Elektrifizierung. Laut Cui, Co-Direktor von BatteryXNUMX, bietet Lithiummetall eine noch größere Kapazität als Lithium-Ionen-Batterien mit Siliziumanode. 

Cui suchte jahrelang nach einem Bildgebungstool, das Einblicke in Lithiummetall und andere Batteriematerialien bieten könnte. Da Elektronenstrahlen von Elektronenmikroskopen Lithiummetall zerstören, war die Beobachtung wichtiger Merkmale auf atomarer Ebene unmöglich. Cui wollte insbesondere die Festelektrolyt-Interphase von Lithiummetall untersuchen – eine Materialschicht, die sich zwischen der Anode und dem flüssigen Elektrolyten bildet.

Als Postdoktorand in Berkeley lernte Cui die Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM) kennen, eine Technologie, die von Strukturbiologen zur Untersuchung von Biomolekülen wie Proteinen entwickelt wurde, deren räumliche Auflösung jedoch bei weitem nicht dem entsprach, was zur Untersuchung von Lithiummetall erforderlich war. Zehn Jahre später erkannte er, dass Fortschritte in der Kryo-EM-Technologie möglicherweise die Batterieforschung revolutionieren könnten. 

Cuis Bereitschaft, über den Tellerrand und die Disziplin hinausgehende Ansätze in Betracht zu ziehen, zahlte sich aus. Sein Labor brauchte nur vier Monate, um eine Kryo-EM-Technik zur Abbildung von Lithiummetall zu entwickeln. Durch Abkühlen des Materials auf die Temperatur von flüssigem Stickstoff konnte Cui die ersten Bilder von Lithiummetall und seiner Festelektrolyt-Grenzfläche auf atomarer Ebene aufnehmen. Diese hochauflösenden Bilder geben Aufschluss über die Natur der Lithiumdendriten, die dazu führen, dass Lithiummetallbatterien kurzschließen, und ermöglichen Cui sogar die Messung des Abstands zwischen Atomen (ein Siebtel Nanometer). 

„Am Anfang konnte es niemand glauben!“ lacht Cui und erinnert sich daran, wie schwer es war, Peer-Reviewer zu überzeugen Wissenschaft dass es sich tatsächlich um Bilder von Lithiummetall handelte. 

„Wenn ich keine Lösung finde, lasse ich das Problem einfach dort hängen. Dann werde ich eine Woche oder Monate später noch einmal darüber nachdenken. Und das kann Jahrzehnte dauern“, sagt Cui. „Aber ich habe ein Beispiel, bei dem ich es ein Jahrzehnt später endlich herausgefunden habe.“

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Wenn ich keine Lösungen finde, lasse ich das Problem einfach dort hängen.

Dann werde ich eine Woche oder Monate später noch einmal darüber nachdenken. Und das kann Jahrzehnte so weitergehen. Aber ich habe ein Beispiel, bei dem ich es ein Jahrzehnt später endlich herausgefunden habe.“

Yi Cui

Ein Batterieprototyp in Cuis Labor.

Bei den schwierigsten Problemen ist Cui bereit, durchzuhalten und tut dies sogar gerne – eine entscheidende Eigenschaft für einen Wissenschaftler, der sich mit dem Klimawandel auseinandersetzt. 

„Natürlich haben viele Menschen Angst, weil das Problem so groß ist, dass sie befürchten, dass es keine Lösung gibt, und werden pessimistisch“, erinnert er sich. „Ich bin optimistisch, weil ich glaube, dass wir Lösungen finden werden.“

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Leben erhalten + Lösungen beschleunigen: Die Auswirkungen

Warum es wichtig ist

Sichere, kostengünstige Batterien mit hoher Energiedichte sind für den Übergang zu sauberer Energie unerlässlich. Cuis Forschung könnte zur Bekämpfung des Klimawandels beitragen, indem sie Wind- und Sonnenenergie speichert, die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen verringert und zentrale Nachhaltigkeitsziele erreicht.

Was kommt als nächstes

Zusätzlich zur laufenden Forschung seines Labors wird Cui seine Erfahrung als Unternehmer als neuer Direktor des Sustainability Accelerator von Stanford nutzen, dessen Ziel es ist, die Umsetzung von Technologie und politischen Lösungen in die reale Welt voranzutreiben.

Warum Stanford

Bevor Cui sein Postdoktorandenstipendium in Berkeley abschloss, hatte er etwa ein Dutzend Tenure-Track-Stellenangebote erhalten. Dennoch wusste er nach seinem ersten Vorstellungsgespräch auf dem Campus, dass er nach Stanford gehen wollte. Er erkannte das einzigartige, kollaborative Umfeld der Schule und ihre wichtige Beziehung zur Industrie.

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• Quelle: https://genesisnanotech.wordpress.com/2024/03/26/stanford-universitys-battery-super-power/