Yi Cui exploite le pouvoir des nanosciences pour développer des structures extrêmement petites, qui jouent un rôle énorme dans la transition énergétique propre.

Dans un match de lutte entre un lémurien souris pygmée et un gorille, l'intuition suggère que le plus grand primate gagnerait. L’idée selon laquelle la taille est égale à la force trouve également une résonance dans la science-fiction, représentée dans des œuvres comme le roman de 1956. L'homme qui rétrécit et le film 1989 Chérie, j'ai rétréci les gosses, tous deux explorant à quel point le monde serait terrifiant si les humains étaient soudainement plus petits que les fourmis.

La nanoscience renverse cette convention : à mesure que la taille des matériaux diminue jusqu'à l'échelle nanométrique, ils peuvent en fait présenter une résistance accrue. Quelle est la taille d’un nanomètre ? Un milliardième de mètre, soit à peu près la quantité de croissance de vos ongles en une seconde. L’épaisseur d’une seule feuille de papier mesure 100,000 XNUMX nanomètres.

Yi Cui, professeur fondateur de Fortinet en science et ingénierie des matériaux, a consacré près de deux décennies à libérer le potentiel des nanosciences pour révolutionner un aspect crucial de la transition vers les énergies propres : le stockage par batterie.

Alors que les batteries lithium-ion sont généralement associées aux appareils portables (téléphones portables, stimulateurs cardiaques), la demande de batteries à forte densité énergétique augmente dans le monde de la décarbonation. La transition vers les voitures et les avions électriques, essentielle pour réduire la dépendance aux combustibles fossiles, repose sur le développement de batteries puissantes. Et à mesure que de plus en plus de ménages et d'entreprises adoptent l'énergie solaire, il existe un besoin croissant de grandes batteries à forte densité énergétique, capables de stocker l'excès d'énergie pour une utilisation pendant la nuit ou en cas de conditions météorologiques défavorables.

Contrairement aux piles à combustible, autre pionnier de la transition vers les énergies propres, les batteries offrent l’avantage de tirer parti de l’infrastructure électrique existante. Mais ils présentent également des défis, à savoir la sécurité et le coût. Toute solution de batterie viable doit résister à toutes les conditions de température possibles et être suffisamment peu coûteuse pour être adoptée à grande échelle. 

Entrez dans les nanosciences. Les propriétés physiques et chimiques des matériaux peuvent changer considérablement à l’échelle nanométrique, en partie à cause de la mécanique quantique et d’un rapport surface/volume plus élevé. Par exemple, alors que le carbone à l’échelle macro pourrait constituer, par exemple, le graphite cassable dans votre crayon, le carbone à l’échelle nanométrique est plus résistant que l’acier. De même, l’aluminium, qui est stable en vrac, devient combustible à l’échelle nanométrique. Pour Yi Cui, de tels changements radicaux à l’échelle nanométrique ouvrent la voie à une innovation révolutionnaire dans la technologie des batteries.

La plupart des batteries sont constituées de conducteurs chargés positivement et négativement (respectivement une anode et une cathode) suspendus dans un électrolyte. Lorsque les ions se déplacent entre l’anode et la cathode, l’énergie se décharge et génère de l’énergie. 

Le silicium est depuis longtemps attrayant comme anode potentielle car il a une plus grande densité énergétique et coûte beaucoup moins cher que les anodes en graphite principalement utilisées dans les batteries lithium-ion. Cependant, le volume du silicium augmente de 400 % lorsque le lithium est inséré et extrait, détruisant ainsi la batterie. 

La solution créative de Cui ? Rendre les matériaux plus petits. Il a utilisé un procédé vapeur-liquide-solide (VLS) pour faire croître des nanofils de silicium, qui consiste à exposer des catalyseurs de nanoparticules métalliques à du silicium gazeux à des températures allant de 400 à 500 degrés Celsius, dissolvant le silicium en nanoparticules jusqu'à ce que des gouttelettes liquides se forment. 

"Vous continuez à ajouter des atomes de silicium à cette gouttelette, et elle sera sursaturée et précipitera sous la forme d'un nanofil de silicium solide", explique Cui. "C'est un mécanisme vraiment beau et élégant pour fabriquer ces fils." 

Ces nouvelles électrodes à nanofils de silicium pourraient supporter des contraintes importantes sans la dégradation rapide qui se produit dans le silicium en vrac, permettant ainsi de nombreux cycles de charge et de décharge. Étant donné que le silicium stocke 10 fois plus de lithium que le graphite sous forme d'anode, cela permet de produire près du double de la quantité d'énergie dans une batterie pleine grandeur. 

Cui a publié ces résultats dans un article historique en 2008. En plus de montrer qu'il était possible de créer une batterie lithium-ion avec une anode en silicium pur, l'article a effectivement été un pionnier dans le domaine des nanosciences pour le stockage d'énergie.

À la poursuite du « Saint Graal » du stockage d’énergie

Selon Cui, les batteries au lithium métal sont le « Saint Graal » de la recherche sur les batteries. Ils constituent la priorité principale du Consortium Battery500, un groupe de chercheurs issus de laboratoires nationaux, du monde universitaire et de l'industrie qui vise à augmenter l'énergie des batteries, à permettre davantage de cycles de charge/décharge et à réduire le coût des batteries, autant d'éléments cruciaux pour atteindre le Département. des objectifs d'Energy en matière d'énergie et d'électrification neutres en carbone. Cui, codirecteur de Battery500, affirme que le lithium métal offre une capacité encore plus grande que les batteries lithium-ion avec une anode en silicium. 

Cui a passé des années à rechercher un outil d’imagerie capable de donner un aperçu du lithium métal et d’autres matériaux de batterie. Étant donné que les faisceaux d’électrons des microscopes électroniques détruisent le lithium métallique, il était impossible d’observer des caractéristiques clés à l’échelle atomique. En particulier, Cui souhaitait examiner l'interphase électrolytique solide du lithium métallique, une couche de matériau qui se forme entre l'anode et l'électrolyte liquide.

Lorsqu'il était chercheur postdoctoral à Berkeley, Cui a découvert la cryomicroscopie électronique (cryo-EM), une technologie développée par des biologistes structurels pour étudier des biomolécules telles que les protéines, mais la résolution spatiale était loin de celle nécessaire pour étudier le lithium métal. Dix ans plus tard, il réalise que les progrès de la technologie cryo-EM pourraient potentiellement révolutionner la recherche sur les batteries. 

La volonté de Cui d'envisager des approches sortant des sentiers battus et de la discipline a porté ses fruits. Il n’a fallu que quatre mois à son laboratoire pour développer une technique cryo-EM permettant d’imager le lithium métal. En refroidissant le matériau jusqu'à la température de l'azote liquide, Cui a pu capturer les toutes premières images du lithium métal et de son interphase électrolytique solide à l'échelle atomique. Cette imagerie à haute résolution met en lumière la nature des dendrites de lithium, qui provoquent des courts-circuits dans les batteries au lithium métal, permettant même à Cui de mesurer la distance entre les atomes (un septième de nanomètre). 

« Personne ne pouvait y croire au début ! » » rit Cui, se rappelant à quel point il était difficile de convaincre les pairs évaluateurs de Sciences qu'il s'agissait bien d'images de lithium métal. 

« Lorsque je ne trouve pas de solution, je laisse le problème en suspens. Ensuite, j'y repenserai une semaine ou des mois plus tard. Et cela peut durer des décennies », explique Cui. "Mais j'ai un exemple où, dix ans plus tard, j'ai enfin compris."

"

Quand je ne trouve pas de solutions, je laisse le problème pendre là.

Ensuite, j'y repenserai une semaine ou des mois plus tard. Et cela peut durer des décennies. Mais j’ai un exemple où, dix ans plus tard, j’ai enfin compris. »

Yi Cui

Un prototype de batterie dans le laboratoire de Cui.

Face aux problèmes les plus difficiles, Cui est prêt à persévérer et aime même le faire – une qualité essentielle pour un scientifique confronté au changement climatique. 

« Bien sûr, beaucoup de gens ont peur parce que le problème est si énorme qu’ils craignent qu’il n’y ait pas de solution et deviennent pessimistes », réfléchit-il. "Je suis optimiste car je crois que nous pourrons trouver des solutions."

Soutenir la vie + accélérer les solutions

Soutenir la vie + accélérer les solutions : l'impact

Pourquoi il importe

Des batteries sûres et peu coûteuses à haute densité énergétique sont essentielles à la transition vers une énergie propre. Les recherches de Cui pourraient aider à lutter contre le changement climatique en stockant l'énergie éolienne et solaire, en réduisant la dépendance aux combustibles fossiles et en atteignant des objectifs cruciaux en matière de développement durable.

Et après

En plus des recherches en cours dans son laboratoire, Cui mettra à profit son expérience d'entrepreneur en tant que nouveau directeur du Sustainability Accelerator de Stanford, qui vise à favoriser l'application des solutions technologiques et politiques au monde réel.

Pourquoi Stanford

Avant que Cui termine sa bourse postdoctorale à Berkeley, il avait reçu une douzaine d'offres d'emploi menant à la permanence. Pourtant, il savait qu’il voulait aller à Stanford après son premier entretien sur le campus. Il a reconnu l'environnement collaboratif unique de l'école et sa relation vitale avec l'industrie.

• Contenu propulsé par le référencement et distribution de relations publiques. Soyez amplifié aujourd'hui.
• PlatoData.Network Ai générative verticale. Autonomisez-vous. Accéder ici.
• PlatoAiStream. Intelligence Web3. Connaissance Amplifiée. Accéder ici.
• PlatonESG. Carbone, Technologie propre, Énergie, Environnement, Solaire, La gestion des déchets. Accéder ici.
• PlatoHealth. Veille biotechnologique et essais cliniques. Accéder ici.
• La source: https://genesisnanotech.wordpress.com/2024/03/26/stanford-universitys-battery-super-power/