Yi Cui memanfaatkan kekuatan nanosains untuk menumbuhkan struktur yang sangat kecil—yang memainkan peran besar dalam transisi energi ramah lingkungan

Dalam pertandingan gulat antara lemur tikus kerdil dan gorila, intuisi menunjukkan bahwa primata yang lebih besar akan menang. Gagasan bahwa ukuran sama dengan kekuatan juga mendapat resonansi dalam fiksi ilmiah, yang digambarkan dalam karya-karya seperti novel tahun 1956 Manusia yang Menyusut dan film 1989 Sayang, aku menciut Kids, keduanya mengeksplorasi betapa mengerikannya dunia jika manusia tiba-tiba lebih kecil dari semut.

Ilmu nano mengubah konvensi ini: Ketika ukuran material mengecil hingga mencapai skala nano, material tersebut sebenarnya dapat menunjukkan peningkatan kekuatan. Berapa besar satu nanometer? Sepermiliar meter, atau kira-kira berapa banyak kuku Anda tumbuh dalam satu detik. Ketebalan selembar kertas mencapai 100,000 nanometer.

Yi Cui, Profesor Sains dan Teknik Material Pendiri Fortinet, telah mendedikasikan hampir dua dekade untuk membuka potensi ilmu nano guna merevolusi aspek penting transisi energi ramah lingkungan: penyimpanan baterai.

Meskipun baterai lithium-ion umumnya dikaitkan dengan perangkat portabel—ponsel, alat pacu jantung—permintaan akan baterai padat energi terus meningkat dalam dunia dekarbonisasi. Transisi ke mobil dan pesawat listrik, yang penting untuk mengurangi ketergantungan bahan bakar fosil, bergantung pada pengembangan baterai yang bertenaga. Dan seiring dengan semakin banyaknya rumah tangga dan dunia usaha yang mengadopsi tenaga surya, terdapat peningkatan kebutuhan akan baterai berukuran besar dan padat energi yang mampu menyimpan kelebihan daya untuk digunakan semalaman atau selama kondisi cuaca buruk.

Berbeda dengan sel bahan bakar—salah satu pelopor dalam transisi energi ramah lingkungan—baterai menawarkan keuntungan dalam memanfaatkan infrastruktur listrik yang ada. Namun hal tersebut juga menghadirkan tantangan, yaitu keamanan dan biaya. Setiap solusi baterai yang layak harus tahan terhadap semua kondisi suhu yang mungkin terjadi dan cukup murah untuk diadopsi secara luas. 

Masukkan ilmu nano. Sifat fisik dan kimia material dapat berubah secara dramatis pada skala nano, sebagian didorong oleh mekanika kuantum dan rasio luas permukaan terhadap volume yang lebih besar. Misalnya, meskipun karbon pada skala makro dapat membentuk, katakanlah, grafit yang dapat dijepret di pensil Anda, karbon pada skala nano lebih kuat daripada baja. Demikian pula aluminium, yang stabil dalam jumlah besar, menjadi mudah terbakar pada skala nano. Bagi Yi Cui, perubahan radikal pada skala nano membuka jalan bagi inovasi inovatif dalam teknologi baterai.

Kebanyakan baterai terdiri dari konduktor bermuatan positif dan negatif—masing-masing anoda dan katoda—yang tersuspensi dalam elektrolit. Saat ion bergerak antara anoda dan katoda, energi dilepaskan, menghasilkan tenaga. 

Silikon telah lama menarik sebagai anoda potensial karena memiliki kepadatan energi yang lebih besar dan biaya yang jauh lebih murah dibandingkan anoda grafit yang banyak digunakan dalam baterai lithium-ion. Namun, volume silikon meningkat 400 persen saat litium dimasukkan dan diekstraksi, sehingga merusak baterai. 

Solusi kreatif Cui? Membuat bahan menjadi lebih kecil. Dia menggunakan proses uap-cair-padat (VLS) untuk menumbuhkan kawat nano silikon, yang melibatkan pemaparan katalis nanopartikel logam ke gas silikon pada suhu 400-500 derajat Celcius, melarutkan silikon menjadi nanopartikel hingga terbentuk tetesan cairan. 

“Anda terus menambahkan atom silikon ke tetesan ini, dan itu akan menjadi sangat jenuh dan mengendap dalam bentuk kawat nano silikon padat,” kata Cui. “Mekanisme yang sangat indah dan elegan untuk membuat kabel ini.” 

Elektroda kawat nano silikon baru ini dapat menahan tekanan yang signifikan tanpa degradasi cepat yang terjadi pada silikon dalam jumlah besar, sehingga memungkinkan terjadinya banyak siklus pengisian dan pengosongan. Karena silikon menyimpan litium 10 kali lebih banyak daripada grafit sebagai anoda, hal ini memungkinkan jumlah energi hampir dua kali lipat dalam baterai ukuran penuh. 

Cui mempublikasikan temuan ini dalam sebuah makalah penting pada tahun 2008. Selain menunjukkan kemungkinan pembuatan baterai lithium-ion dengan anoda silikon murni, makalah tersebut secara efektif memelopori bidang nanosains untuk penyimpanan energi.

Mengejar “cawan suci” penyimpanan energi

Menurut Cui, baterai logam lithium adalah “cawan suci” penelitian baterai. Mereka adalah fokus utama Konsorsium Battery500, sekelompok peneliti dari laboratorium nasional, akademisi, dan industri yang bertujuan untuk meningkatkan energi baterai, memungkinkan siklus pengisian/pengosongan lebih banyak, dan mengurangi biaya baterai—semuanya penting untuk mencapai Departemen tersebut. tujuan Energi untuk energi netral karbon dan elektrifikasi. Cui, salah satu direktur Battery500, mengatakan logam litium menawarkan kapasitas lebih besar dibandingkan baterai litium-ion dengan anoda silikon. 

Cui menghabiskan waktu bertahun-tahun mencari alat pencitraan yang dapat memberikan wawasan tentang logam litium dan bahan baterai lainnya. Karena berkas elektron dari mikroskop elektron menghancurkan logam litium, pengamatan fitur-fitur utama pada skala atom menjadi mustahil. Secara khusus, Cui ingin memeriksa interfase elektrolit padat logam litium—lapisan bahan yang terbentuk antara anoda dan elektrolit cair.

Ketika dia menjadi sarjana pascadoktoral di Berkeley, Cui belajar tentang mikroskop cryo-elektron (cryo-EM), sebuah teknologi yang dikembangkan oleh ahli biologi struktural untuk mempelajari biomolekul seperti protein, tetapi resolusi spasialnya jauh dari yang diperlukan untuk menyelidiki logam litium. Sepuluh tahun kemudian, dia menyadari bahwa kemajuan teknologi cryo-EM berpotensi merevolusi penelitian baterai. 

Kesediaan Cui untuk mempertimbangkan pendekatan out-the-box dan di luar disiplin membuahkan hasil. Laboratoriumnya hanya membutuhkan waktu empat bulan untuk mengembangkan teknik cryo-EM untuk menggambarkan logam litium. Dengan mendinginkan material hingga mencapai suhu nitrogen cair, Cui mampu menangkap gambar pertama logam litium dan interfase elektrolit padatnya pada skala atom. Pencitraan resolusi tinggi ini menjelaskan sifat dendrit litium, yang menyebabkan baterai logam litium mengalami korsleting, bahkan memungkinkan Cui mengukur jarak antar atom (sepertujuh nanometer). 

“Awalnya tidak ada yang percaya!” tawa Cui, mengingat betapa sulitnya meyakinkan pengulas sejawat Ilmu bahwa ini benar-benar gambar logam litium. 

“Ketika saya tidak bisa menemukan solusinya, saya biarkan saja masalahnya. Lalu, saya akan memikirkannya lagi seminggu atau bulan kemudian. Dan hal ini bisa berlangsung selama beberapa dekade,” kata Cui. “Tetapi saya punya contoh di mana, satu dekade kemudian, saya akhirnya menemukan jawabannya.”

"

Ketika saya tidak dapat menemukan solusinya, saya biarkan saja masalahnya.

Lalu, saya akan memikirkannya lagi seminggu atau bulan kemudian. Dan hal ini bisa berlangsung selama beberapa dekade. Tapi saya punya contoh di mana, satu dekade kemudian, saya akhirnya menemukan jawabannya.”

Yi Cui

Prototipe baterai di laboratorium Cui.

Menghadapi permasalahan yang paling menantang, Cui bersedia untuk bertahan dan bahkan menikmati melakukannya—sebuah kualitas penting bagi seorang ilmuwan yang menghadapi perubahan iklim. 

“Tentu saja banyak orang yang merasa takut karena masalahnya begitu besar, khawatir tidak ada solusi, dan menjadi pesimis,” kenangnya. “Saya optimis karena saya yakin kita akan mampu menemukan solusinya.”

Mempertahankan Kehidupan + Mempercepat Solusi

Mempertahankan Kehidupan + Mempercepat Solusi: Dampaknya

Mengapa itu penting

Baterai yang aman dan murah dengan kepadatan energi tinggi sangat penting dalam transisi menuju energi ramah lingkungan. Penelitian Cui dapat membantu memerangi perubahan iklim dengan menyimpan energi angin dan matahari, mengurangi ketergantungan pada bahan bakar fosil, dan memenuhi tujuan keberlanjutan yang penting.

Apa berikutnya

Selain penelitian yang sedang berlangsung di laboratoriumnya, Cui akan memanfaatkan pengalamannya sebagai wirausaha dan menjabat sebagai direktur baru Akselerator Keberlanjutan Stanford, yang bertujuan untuk mendorong penerjemahan solusi teknologi dan kebijakan ke dunia nyata.

Mengapa Stanford

Sebelum Cui menyelesaikan fellowship pascadoktoralnya di Berkeley, dia telah menerima sekitar selusin tawaran pekerjaan dengan masa jabatan. Tetap saja, dia tahu dia ingin kuliah di Stanford setelah wawancara pertamanya di kampus. Dia mengakui lingkungan sekolah yang unik dan kolaboratif serta hubungannya yang penting dengan industri.

• Konten Bertenaga SEO & Distribusi PR. Dapatkan Amplifikasi Hari Ini.
• PlatoData.Jaringan Vertikal Generatif Ai. Berdayakan Diri Anda. Akses Di Sini.
• PlatoAiStream. Intelijen Web3. Pengetahuan Diperkuat. Akses Di Sini.
• PlatoESG. Karbon, teknologi bersih, energi, Lingkungan Hidup, Tenaga surya, Penanganan limbah. Akses Di Sini.
• PlatoHealth. Kecerdasan Uji Coba Biotek dan Klinis. Akses Di Sini.
• Sumber: https://genesisnanotech.wordpress.com/2024/03/26/stanford-universitys-battery-super-power/