یی کوی از قدرت علم نانو برای رشد ساختارهای بسیار کوچک استفاده می کند - که نقش بزرگی در انتقال انرژی پاک دارند.
در یک مسابقه کشتی بین یک لمور موش کوتوله و یک گوریل، شهود نشان می دهد که نخستی بزرگتر برنده خواهد شد. این تصور که اندازه برابر است با قدرت در داستان های علمی تخیلی نیز طنین انداز می شود که در آثاری مانند رمان 1956 به تصویر کشیده شده است. مرد کوچک شدن و فیلم 1989 عزیزم ، من بچه ها را خرد کردم، هر دو در حال بررسی هستند که اگر انسان ها ناگهان کوچکتر از مورچه ها می شدند، جهان چقدر وحشتناک بود.
علم نانو این قرارداد را تغییر داده است: با کاهش اندازه مواد به مقیاس نانو، در واقع می توانند استحکام بیشتری از خود نشان دهند. اندازه یک نانومتر چقدر است؟ یک میلیاردم متر، یا تقریباً چقدر ناخن های دست شما در یک ثانیه رشد می کند. ضخامت یک ورق کاغذ به 100,000 نانومتر می رسد.
یی کوی، پروفسور علوم و مهندسی مواد از بنیانگذاران Fortinet، نزدیک به دو دهه را وقف بازگشایی پتانسیل علم نانو برای متحول کردن یک جنبه محوری انتقال انرژی پاک یعنی ذخیره باتری کرده است.
در حالی که باتری‌های لیتیوم یونی معمولاً با دستگاه‌های قابل حمل (تلفن‌های همراه، ضربان‌سازها) مرتبط هستند، تقاضا برای باتری‌های پرانرژی در دنیای کربن‌زدایی در حال افزایش است. انتقال به خودروها و هواپیماهای الکتریکی که برای کاهش وابستگی به سوخت های فسیلی حیاتی است، به توسعه باتری های قدرتمند بستگی دارد. و از آنجایی که خانوارها و مشاغل بیشتری از انرژی خورشیدی استفاده می کنند، نیاز فزاینده ای به باتری های بزرگ و پرانرژی وجود دارد که قادر به ذخیره انرژی اضافی برای استفاده در طول شب یا در شرایط آب و هوایی نامساعد هستند.
برخلاف سلول‌های سوختی - یکی دیگر از پیشروها در انتقال انرژی پاک - باتری‌ها مزیت استفاده از زیرساخت‌های برق موجود را دارند. اما آنها همچنین چالش هایی مانند ایمنی و هزینه را ارائه می دهند. هر راه حل باتری قابل دوام باید در برابر تمام شرایط دمایی ممکن مقاومت کند و برای پذیرش گسترده به اندازه کافی ارزان باشد.
وارد علم نانو شوید. خواص فیزیکی و شیمیایی مواد می تواند به طور چشمگیری در مقیاس نانو تغییر کند که تا حدی توسط مکانیک کوانتومی و نسبت سطح به حجم بیشتر هدایت می شود. به عنوان مثال، در حالی که کربن در مقیاس ماکرو می تواند مثلاً گرافیت قابل چفت شدن در مداد شما را تشکیل دهد، کربن در مقیاس نانو از فولاد قوی تر است. به همین ترتیب، آلومینیوم، که به صورت فله ای پایدار است، در مقیاس نانو قابل احتراق می شود. برای یی کوی، چنین تغییرات اساسی در مقیاس نانو، مسیری را برای نوآوری پیشگامانه در فناوری باتری باز می کند.
اکثر باتری ها از هادی هایی با بار مثبت و منفی - به ترتیب یک آند و کاتد - تشکیل شده اند که در یک الکترولیت معلق هستند. همانطور که یون ها بین آند و کاتد حرکت می کنند، انرژی تخلیه می شود و نیرو تولید می کند.
سیلیکون از دیرباز به عنوان یک آند بالقوه جذاب بوده است، زیرا چگالی انرژی بیشتری دارد و هزینه بسیار کمتری نسبت به آندهای گرافیتی که عمدتاً در باتری‌های لیتیوم یون استفاده می‌شوند، دارد. با این حال، حجم سیلیکون با وارد کردن و استخراج لیتیوم 400 درصد افزایش می یابد و باتری را از بین می برد.
راه حل خلاقانه Cui؟ کوچکتر کردن مواد او از فرآیند بخار-مایع-جامد (VLS) برای رشد نانوسیم‌های سیلیکونی استفاده کرد که شامل قرار دادن کاتالیزورهای نانوذرات فلزی در معرض گاز سیلیکون در دمای 400 تا 500 درجه سانتی‌گراد، حل کردن سیلیکون به نانوذرات تا تشکیل قطرات مایع است.
کوی می‌گوید: «شما به اضافه کردن اتم‌های سیلیکون به این قطره ادامه می‌دهید، و این قطره فوق‌العاده اشباع می‌شود و به شکل نانوسیم سیلیکونی جامد رسوب می‌کند. ساخت این سیم‌ها مکانیزم بسیار زیبا و ظریفی است.
این الکترودهای نانوسیم سیلیکونی جدید می توانند فشار قابل توجهی را بدون تخریب سریعی که برای سیلیکون به صورت فله رخ می دهد، تحمل کنند و چرخه های زیادی از شارژ و دشارژ را انجام دهند. از آنجایی که سیلیکون 10 برابر بیشتر از گرافیت لیتیوم را به عنوان آند ذخیره می‌کند، این امکان را می‌دهد تا مقدار انرژی تقریباً دو برابر در یک باتری با اندازه کامل مصرف شود.
Cui این یافته ها را در یک مقاله برجسته در سال 2008 منتشر کرد. این مقاله علاوه بر نشان دادن امکان ایجاد یک باتری لیتیوم یونی با آند سیلیکونی خالص، به طور موثر در زمینه علم نانو برای ذخیره انرژی پیشرو بود.
تعقیب " جام مقدس" ذخیره انرژی
به گفته کوی، باتری‌های فلزی لیتیومی «جام مقدس» تحقیقات باتری هستند. آنها تمرکز اصلی کنسرسیوم Battery500 هستند، گروهی از محققان از آزمایشگاه‌های ملی، دانشگاه‌ها و صنعت که هدف آن افزایش انرژی باتری‌ها، امکان چرخه‌های شارژ/دشارژ بیشتر و کاهش هزینه باتری است که همه برای دستیابی به این وزارت بسیار مهم هستند. اهداف انرژی برای انرژی کربن خنثی و برق رسانی. کوی، یکی از مدیران Battery500، می‌گوید که فلز لیتیوم حتی ظرفیت بیشتری نسبت به باتری‌های لیتیوم یون با آند سیلیکونی دارد.
کوی سال‌ها به جستجوی ابزار تصویربرداری پرداخت که بتواند بینشی در مورد فلز لیتیوم و سایر مواد باتری ارائه دهد. از آنجایی که پرتوهای الکترونی میکروسکوپ های الکترونی فلز لیتیوم را از بین می برد، مشاهده ویژگی های کلیدی در مقیاس اتمی غیرممکن بود. به طور خاص، کوی می‌خواست فاز اینترفاز الکترولیت جامد فلز لیتیوم را بررسی کند - لایه‌ای از مواد که بین آند و الکترولیت مایع تشکیل می‌شود.
زمانی که او یک محقق فوق دکتری در برکلی بود، کوی در مورد میکروسکوپ الکترونی کرایو (cryo-EM)، یک فناوری که توسط زیست‌شناسان ساختاری برای مطالعه بیومولکول‌هایی مانند پروتئین‌ها توسعه یافت، آموخت، اما وضوح فضایی با آنچه برای بررسی فلز لیتیوم نیاز بود، فاصله زیادی داشت. ده سال بعد، او متوجه شد که پیشرفت در فناوری cryo-EM می تواند به طور بالقوه انقلابی در تحقیقات باتری ایجاد کند.
تمایل کوی به در نظر گرفتن رویکردهای خارج از چارچوب و خارج از رشته نتیجه داد. آزمایشگاه او تنها چهار ماه طول کشید تا یک تکنیک cryo-EM برای تصویربرداری از فلز لیتیوم ایجاد کند. با خنک کردن مواد تا دمای نیتروژن مایع، Cui توانست اولین تصاویری از فلز لیتیوم و فاز میانی الکترولیت جامد آن را در مقیاس اتمی ثبت کند. این تصویربرداری با وضوح بالا طبیعت دندریت های لیتیوم را روشن می کند که باعث اتصال کوتاه باتری های فلزی لیتیوم می شود و حتی به Cui اجازه می دهد فاصله بین اتم ها (یک هفتم نانومتر) را اندازه گیری کند.
"هیچ کس نمی توانست آن را در ابتدا باور کند!" کوی می‌خندد و به یاد می‌آورد که متقاعد کردن بازبین‌های همکار چقدر سخت بود علم که اینها واقعاً تصاویری از فلز لیتیوم بودند.
وقتی نمی‌توانم راه‌حلی پیدا کنم، فقط اجازه می‌دهم مشکل آنجا بماند. سپس، یک هفته یا ماه بعد دوباره به آن فکر خواهم کرد. کوی می‌گوید و این می‌تواند برای چندین دهه ادامه داشته باشد. اما من مثالی دارم که یک دهه بعد، بالاخره آن را فهمیدم.»
"
وقتی نمی‌توانم راه‌حل‌ها را پیدا کنم، فقط اجازه می‌دهم مشکل آنجا بماند.
سپس، یک هفته یا ماه بعد دوباره به آن فکر خواهم کرد. و این می تواند برای چندین دهه ادامه داشته باشد. اما من مثالی دارم که یک دهه بعد، بالاخره آن را فهمیدم.»
یی کوی
نمونه اولیه باتری در آزمایشگاه کوی.
با چالش برانگیزترین مشکلات، کوی مایل به پشتکار است و حتی از انجام این کار لذت می‌برد - یک ویژگی حیاتی برای دانشمندی که با تغییرات آب و هوایی مواجه است.
او می‌گوید: «البته، بسیاری از مردم احساس ترس می‌کنند، زیرا مشکل آن‌قدر بزرگ است که نگران هستند راه‌حلی وجود نداشته باشد و بدبین می‌شوند.» من خوشبین هستم زیرا معتقدم می توانیم راه حل هایی را پیدا کنیم.»
پایداری زندگی + راه حل های تسریع کننده
پایداری زندگی + راه حل های تسریع کننده: تأثیر
چرا از آن مهم
باتری های ایمن و ارزان با چگالی انرژی بالا برای انتقال به انرژی پاک ضروری هستند. تحقیقات Cui می‌تواند با ذخیره انرژی باد و خورشید، کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی و تحقق اهداف حیاتی پایداری، به مبارزه با تغییرات آب و هوایی کمک کند.
گام بعدی چیست
علاوه بر تحقیقات در حال انجام آزمایشگاه خود، کوی از تجربه خود به عنوان یک کارآفرین به عنوان مدیر جدید شتابدهنده پایداری استانفورد استفاده خواهد کرد که هدف آن هدایت ترجمه راه حل های فناوری و سیاست به دنیای واقعی است.
چرا استانفورد
قبل از اینکه کوی دوره فوق دکتری خود را در برکلی به پایان برساند، حدود 12 پیشنهاد شغلی دریافت کرده بود. با این حال، او می‌دانست که می‌خواهد پس از اولین مصاحبه‌اش در دانشگاه به استنفورد برود. او محیط منحصر به فرد و مشارکتی مدرسه و رابطه حیاتی آن با صنعت را تشخیص داد.
- محتوای مبتنی بر SEO و توزیع روابط عمومی. امروز تقویت شوید.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. به خودت قدرت بده دسترسی به اینجا.
- PlatoAiStream. هوش وب 3 دانش تقویت شده دسترسی به اینجا.
- PlatoESG. کربن ، CleanTech، انرژی، محیط، خورشیدی، مدیریت پسماند دسترسی به اینجا.
- PlatoHealth. هوش بیوتکنولوژی و آزمایشات بالینی. دسترسی به اینجا.
- منبع: https://genesisnanotech.wordpress.com/2024/03/26/stanford-universitys-battery-super-power/
