Ο Yi Cui εκμεταλλεύεται τη δύναμη της νανοεπιστήμης για να αναπτύξει εξαιρετικά μικρές δομές - οι οποίες παίζουν τεράστιο ρόλο στη μετάβαση στην καθαρή ενέργεια

Σε έναν αγώνα πάλης μεταξύ ενός πυγμαίου λεμούριου ποντικού και ενός γορίλα, η διαίσθηση υποδηλώνει ότι το μεγαλύτερο πρωτεύον θα κέρδιζε. Η αντίληψη ότι το μέγεθος ίσον δύναμη βρίσκει επίσης απήχηση στην επιστημονική φαντασία, που απεικονίζεται σε έργα όπως το μυθιστόρημα του 1956 The Shrinking Man και η ταινία 1989 Μέλι, I συρρικνωθεί τα παιδιά, και οι δύο εξερευνώντας πόσο τρομακτικός θα ήταν ο κόσμος αν οι άνθρωποι ήταν ξαφνικά μικρότεροι από τα μυρμήγκια.

Η νανοεπιστήμη ανατρέπει αυτή τη σύμβαση: Καθώς τα υλικά μειώνονται σε μέγεθος σε νανοκλίμακα, μπορούν πραγματικά να παρουσιάσουν αυξημένη αντοχή. Πόσο μεγάλο είναι ένα νανόμετρο; Ένα δισεκατομμυριοστό του μέτρου, ή περίπου πόσο μεγαλώνουν τα νύχια σας σε ένα δευτερόλεπτο. Το πάχος ενός μόνο φύλλου χαρτιού φτάνει τα 100,000 νανόμετρα.

Ο Yi Cui, ο καθηγητής Επιστήμης και Μηχανικής Υλικών των Ιδρυτών της Fortinet, έχει αφιερώσει σχεδόν δύο δεκαετίες στο ξεκλείδωμα των δυνατοτήτων της νανοεπιστήμης να φέρει επανάσταση σε μια κομβική πτυχή της μετάβασης στην καθαρή ενέργεια: την αποθήκευση μπαταριών.

Ενώ οι μπαταρίες ιόντων λιθίου συνδέονται συνήθως με φορητές συσκευές - κινητά τηλέφωνα, βηματοδότες - η ζήτηση για μπαταρίες πυκνής ενέργειας αυξάνεται στον κόσμο της απανθρακοποίησης. Η μετάβαση σε ηλεκτρικά αυτοκίνητα και αεροπλάνα, κρίσιμης σημασίας για τη μείωση της εξάρτησης από ορυκτά καύσιμα, εξαρτάται από την ανάπτυξη ισχυρών μπαταριών. Και καθώς περισσότερα νοικοκυριά και επιχειρήσεις υιοθετούν την ηλιακή ενέργεια, υπάρχει μια κλιμακούμενη ανάγκη για μεγάλες, ενεργειακά πυκνές μπαταρίες ικανές να αποθηκεύουν υπερβολική ενέργεια για χρήση κατά τη διάρκεια της νύχτας ή κατά τη διάρκεια δυσμενών καιρικών συνθηκών.

Σε αντίθεση με τις κυψέλες καυσίμου - άλλο ένα πρωτοπόρο στη μετάβαση στην καθαρή ενέργεια - οι μπαταρίες προσφέρουν το πλεονέκτημα της μόχλευσης της υπάρχουσας υποδομής ηλεκτρικής ενέργειας. Αλλά παρουσιάζουν επίσης προκλήσεις, δηλαδή ασφάλεια και κόστος. Οποιαδήποτε βιώσιμη λύση μπαταρίας πρέπει να αντέχει σε όλες τις πιθανές συνθήκες θερμοκρασίας και να είναι αρκετά φθηνή για ευρεία υιοθέτηση. 

Μπείτε στη νανοεπιστήμη. Οι φυσικές και χημικές ιδιότητες των υλικών μπορούν να αλλάξουν δραματικά σε νανοκλίμακα, εν μέρει λόγω της κβαντομηχανικής και της μεγαλύτερης αναλογίας επιφάνειας προς όγκο. Για παράδειγμα, ενώ ο άνθρακας στη μακροκλίμακα θα μπορούσε να αποτελέσει, ας πούμε, τον γραφίτη που κουμπώνει στο μολύβι σας, ο άνθρακας στη νανοκλίμακα είναι ισχυρότερος από τον χάλυβα. Ομοίως, το αλουμίνιο, το οποίο είναι σταθερό χύμα, γίνεται εύφλεκτο σε νανοκλίμακα. Για τον Yi Cui, τέτοιες ριζικές αλλαγές σε νανοκλίμακα ανοίγουν έναν δρόμο για πρωτοποριακή καινοτομία στην τεχνολογία μπαταριών.

Οι περισσότερες μπαταρίες αποτελούνται από θετικά και αρνητικά φορτισμένους αγωγούς - μια άνοδο και μια κάθοδο, αντίστοιχα - που αιωρούνται σε έναν ηλεκτρολύτη. Καθώς τα ιόντα κινούνται μεταξύ της ανόδου και της καθόδου, εκκενώνεται ενέργεια, παράγοντας ισχύς. 

Το πυρίτιο είναι από καιρό ελκυστικό ως πιθανή άνοδος επειδή έχει μεγαλύτερη ενεργειακή πυκνότητα και κοστίζει πολύ λιγότερο από τις άνοδοι γραφίτη που χρησιμοποιούνται κυρίως στις μπαταρίες ιόντων λιθίου. Ωστόσο, ο όγκος του πυριτίου αυξάνεται κατά 400 τοις εκατό όταν εισάγεται και εξάγεται λίθιο, καταστρέφοντας την μπαταρία. 

Η δημιουργική λύση του Cui; Κάνοντας τα υλικά μικρότερα. Χρησιμοποίησε μια διαδικασία ατμού-υγρού-στερεού (VLS) για να αναπτύξει νανοσύρματα πυριτίου, η οποία περιλαμβάνει την έκθεση μεταλλικών καταλυτών νανοσωματιδίων σε αέριο πυρίτιο σε θερμοκρασίες από 400-500 βαθμούς Κελσίου, διαλύοντας το πυρίτιο σε νανοσωματίδια μέχρι να σχηματιστούν σταγονίδια υγρού. 

«Συνεχίζετε να προσθέτετε άτομα πυριτίου σε αυτό το σταγονίδιο, και θα υπερκορεσθεί και θα καταβυθιστεί σε σχήμα στερεού νανοσύρματος πυριτίου», λέει ο Cui. "Είναι ένας πραγματικά όμορφος, κομψός μηχανισμός για να φτιάξεις αυτά τα καλώδια." 

Αυτά τα νέα ηλεκτρόδια νανοσύρματος πυριτίου θα μπορούσαν να υποστούν σημαντική πίεση χωρίς την ταχεία υποβάθμιση που συμβαίνει στο πυρίτιο χύμα, επιτρέποντας πολλούς κύκλους φόρτισης και εκφόρτισης. Δεδομένου ότι το πυρίτιο αποθηκεύει 10 φορές περισσότερο λίθιο από τον γραφίτη ως άνοδο, αυτό επιτρέπει σχεδόν τη διπλάσια ποσότητα ενέργειας σε μια μπαταρία πλήρους μεγέθους. 

Ο Cui δημοσίευσε αυτά τα ευρήματα σε ένα έγγραφο ορόσημο το 2008. Εκτός από το ότι έδειξε ότι ήταν δυνατή η δημιουργία μιας μπαταρίας ιόντων λιθίου με καθαρή άνοδο πυριτίου, το χαρτί πρωτοστάτησε αποτελεσματικά στον τομέα της νανοεπιστήμης για την αποθήκευση ενέργειας.

Κυνηγώντας το «ιερό δισκοπότηρο» της αποθήκευσης ενέργειας

Σύμφωνα με τον Cui, οι μπαταρίες μετάλλου λιθίου είναι το «ιερό δισκοπότηρο» της έρευνας για τις μπαταρίες. Αποτελούν τον πρωταρχικό στόχο για την Κοινοπραξία Battery500, μια ομάδα ερευνητών από εθνικά εργαστήρια, ακαδημαϊκό κόσμο και βιομηχανία που στοχεύει να αυξήσει την ενέργεια των μπαταριών, να επιτρέψει περισσότερους κύκλους φόρτισης/εκφόρτισης και να μειώσει το κόστος των μπαταριών—όλα ζωτικής σημασίας για την επίτευξη του Τμήματος των στόχων της Energy για ενέργεια ουδέτερη από άνθρακα και ηλεκτρισμό. Ο Cui, συνδιευθυντής της Battery500, λέει ότι το μέταλλο λιθίου προσφέρει ακόμη μεγαλύτερη χωρητικότητα από τις μπαταρίες ιόντων λιθίου με άνοδο πυριτίου. 

Ο Cui πέρασε χρόνια ψάχνοντας για ένα εργαλείο απεικόνισης που θα μπορούσε να προσφέρει πληροφορίες για το μέταλλο λιθίου και άλλα υλικά μπαταρίας. Δεδομένου ότι οι δέσμες ηλεκτρονίων από τα ηλεκτρονικά μικροσκόπια καταστρέφουν το μέταλλο λιθίου, η παρατήρηση βασικών χαρακτηριστικών σε ατομική κλίμακα ήταν αδύνατη. Συγκεκριμένα, ο Cui ήθελε να εξετάσει τη μεσόφαση στερεού ηλεκτρολύτη του μετάλλου λιθίου - ένα στρώμα υλικού που σχηματίζεται μεταξύ της ανόδου και του υγρού ηλεκτρολύτη.

Όταν ήταν μεταδιδακτορικός υπότροφος στο Berkeley, ο Cui έμαθε για την κρυοηλεκτρονική μικροσκοπία (cryo-EM), μια τεχνολογία που αναπτύχθηκε από δομικούς βιολόγους για τη μελέτη βιομορίων όπως οι πρωτεΐνες, αλλά η χωρική ανάλυση απείχε πολύ από αυτή που χρειαζόταν για τη διερεύνηση του μετάλλου λιθίου. Δέκα χρόνια αργότερα, συνειδητοποίησε ότι οι εξελίξεις στην τεχνολογία κρυο-ΕΜ θα μπορούσαν ενδεχομένως να φέρουν επανάσταση στην έρευνα για τις μπαταρίες. 

Η προθυμία του Cui να εξετάσει προσεγγίσεις εκτός του κουτιού και εκτός της πειθαρχίας απέδωσε καρπούς. Το εργαστήριό του πήρε μόνο τέσσερις μήνες για να αναπτύξει μια τεχνική κρυο-ΕΜ για την απεικόνιση του μετάλλου λιθίου. Με την ψύξη του υλικού στη θερμοκρασία του υγρού αζώτου, ο Cui κατάφερε να συλλάβει τις πρώτες εικόνες του μετάλλου λιθίου και της ενδιάμεσης φάσης του στερεού ηλεκτρολύτη του σε ατομική κλίμακα. Αυτή η απεικόνιση υψηλής ανάλυσης ρίχνει φως στη φύση των δενδριτών λιθίου, οι οποίοι προκαλούν βραχυκύκλωμα στις μπαταρίες μετάλλου λιθίου, επιτρέποντας ακόμη και στον Cui να μετρήσει την απόσταση μεταξύ των ατόμων (ένα έβδομο του νανομέτρου). 

«Κανείς δεν μπορούσε να το πιστέψει στην αρχή!» γελάει ο Cui, θυμούμενος πόσο δύσκολο ήταν να πείσεις τους ομοτίμους κριτικούς Επιστήμη ότι αυτές ήταν πραγματικά εικόνες μετάλλου λιθίου. 

«Όταν δεν μπορώ να βρω τη λύση, απλώς αφήνω το πρόβλημα να κρέμεται εκεί. Μετά, θα το ξανασκεφτώ μια εβδομάδα ή μήνες αργότερα. Και αυτό μπορεί να συνεχιστεί για δεκαετίες», λέει ο Cui. «Αλλά έχω ένα παράδειγμα όπου, μια δεκαετία αργότερα, το κατάλαβα τελικά».

"

ΟΤΑΝ ΔΕΝ ΜΠΟΡΩ ΝΑ ΒΡΩ ΤΙΣ ΛΥΣΕΙΣ, ΑΠΛΑ ΑΦΗΝΩ ΤΟ ΠΡΟΒΛΗΜΑ ΝΑ ΚΡΕΜΑΣΕΙ ΕΚΕΙ.

Μετά, θα το ξανασκεφτώ μια εβδομάδα ή μήνες αργότερα. Και αυτό μπορεί να συνεχιστεί για δεκαετίες. Αλλά έχω ένα παράδειγμα όπου, μια δεκαετία αργότερα, τελικά το κατάλαβα».

Γι Τσούι

Ένα πρωτότυπο μπαταρίας στο εργαστήριο του Cui.

Με τα πιο δύσκολα προβλήματα, ο Cui είναι πρόθυμος να επιμείνει και μάλιστα απολαμβάνει να το κάνει - μια ζωτική ιδιότητα για έναν επιστήμονα που αντιμετωπίζει την κλιματική αλλαγή. 

«Φυσικά, πολλοί άνθρωποι νιώθουν φόβο επειδή το πρόβλημα είναι τόσο τεράστιο που ανησυχούν ότι δεν υπάρχει λύση και γίνονται απαισιόδοξοι», σκέφτεται. «Είμαι αισιόδοξος γιατί πιστεύω ότι θα μπορέσουμε να βρούμε τις λύσεις».

Sustaining Life + Accelerating Solutions

Sustaining Life + Accelerating Solutions: Ο αντίκτυπος

Γιατί έχει σημασία

Οι ασφαλείς, φθηνές μπαταρίες με υψηλή ενεργειακή πυκνότητα είναι απαραίτητες για τη μετάβαση στην καθαρή ενέργεια. Η έρευνα του Cui θα μπορούσε να βοηθήσει στην καταπολέμηση της κλιματικής αλλαγής αποθηκεύοντας αιολική και ηλιακή ενέργεια, μειώνοντας την εξάρτηση από ορυκτά καύσιμα και εκπληρώνοντας βασικούς στόχους βιωσιμότητας.

Τι έπεται

Εκτός από τη συνεχή έρευνα του εργαστηρίου του, ο Cui θα αξιοποιήσει την εμπειρία του ως επιχειρηματίας ως νέος διευθυντής του Stanford's Sustainability Accelerator, που στοχεύει να οδηγήσει τη μετάφραση λύσεων τεχνολογίας και πολιτικής στον πραγματικό κόσμο.

Γιατί Στάνφορντ

Πριν ο Cui ολοκληρώσει τη μεταδιδακτορική του υποτροφία στο Μπέρκλεϋ, είχε λάβει περίπου δώδεκα προσφορές εργασίας για θητεία. Ωστόσο, ήξερε ότι ήθελε να πάει στο Στάνφορντ μετά την πρώτη του συνέντευξη στην πανεπιστημιούπολη. Αναγνώρισε το μοναδικό, συνεργατικό περιβάλλον του σχολείου και τη ζωτική του σχέση με τη βιομηχανία.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://genesisnanotech.wordpress.com/2024/03/26/stanford-universitys-battery-super-power/