Yi Cui sta sfruttando il potere della nanoscienza per far crescere strutture estremamente piccole, che svolgono un ruolo enorme nella transizione verso l’energia pulita

In un incontro di lotta tra un lemure topo pigmeo e un gorilla, l'intuizione suggerisce che il primate più grande vincerebbe. L’idea che dimensione uguale forza trova risonanza anche nella fantascienza, rappresentata in opere come il romanzo del 1956 L'uomo che si restringe e il film 1989 Tesoro, mi si sono ristretti i ragazzi, entrambi esplorano quanto sarebbe terrificante il mondo se gli esseri umani fossero improvvisamente più piccoli delle formiche.

La nanoscienza capovolge questa convenzione: man mano che i materiali diminuiscono di dimensioni su scala nanometrica, possono effettivamente mostrare una maggiore resistenza. Quanto è grande un nanometro? Un miliardesimo di metro, ovvero più o meno quanto crescono le tue unghie in un secondo. Lo spessore di un singolo foglio di carta misura l’incredibile cifra di 100,000 nanometri.

Yi Cui, professore di scienza e ingegneria dei materiali, fondatore di Fortinet, ha dedicato quasi due decenni a sfruttare il potenziale della nanoscienza per rivoluzionare un aspetto fondamentale della transizione verso l'energia pulita: lo stoccaggio delle batterie.

Mentre le batterie agli ioni di litio sono comunemente associate ai dispositivi portatili – telefoni cellulari, pacemaker – la domanda di batterie ad alta densità energetica sta crescendo nel mondo della decarbonizzazione. La transizione verso auto e aerei elettrici, fondamentali per ridurre la dipendenza dai combustibili fossili, dipende dallo sviluppo di batterie potenti. E poiché sempre più famiglie e aziende adottano l’energia solare, c’è una crescente necessità di batterie grandi e ad alta densità energetica in grado di immagazzinare l’energia in eccesso da utilizzare durante la notte o in condizioni meteorologiche avverse.

A differenza delle celle a combustibile – un altro capofila nella transizione verso l’energia pulita – le batterie offrono il vantaggio di sfruttare l’infrastruttura elettrica esistente. Ma presentano anche sfide, in particolare sicurezza e costi. Qualsiasi soluzione di batteria praticabile deve resistere a tutte le possibili condizioni di temperatura ed essere sufficientemente economica da poter essere adottata su larga scala. 

Entra nella nanoscienza. Le proprietà fisiche e chimiche dei materiali possono cambiare drasticamente su scala nanometrica, in parte grazie alla meccanica quantistica e a un maggiore rapporto superficie/volume. Ad esempio, mentre il carbonio su macroscala potrebbe costituire, ad esempio, la grafite che si spezza nella matita, su scala nanometrica il carbonio è più forte dell’acciaio. Allo stesso modo, l’alluminio, che è stabile in massa, diventa combustibile su scala nanometrica. Per Yi Cui, cambiamenti così radicali su scala nanometrica aprono la strada a un’innovazione rivoluzionaria nella tecnologia delle batterie.

La maggior parte delle batterie sono costituite da conduttori caricati positivamente e negativamente, rispettivamente un anodo e un catodo, sospesi in un elettrolita. Quando gli ioni si muovono tra l'anodo e il catodo, l'energia si scarica, generando energia. 

Il silicio è stato a lungo attraente come potenziale anodo perché ha una maggiore densità energetica e costa molto meno degli anodi di grafite utilizzati prevalentemente nelle batterie agli ioni di litio. Tuttavia, il volume del silicio aumenta del 400% quando il litio viene inserito ed estratto, distruggendo la batteria. 

La soluzione creativa di Cui? Rimpicciolire i materiali. Ha utilizzato un processo vapore-liquido-solido (VLS) per far crescere nanofili di silicio, che prevede l'esposizione di catalizzatori di nanoparticelle metalliche al gas di silicio a temperature comprese tra 400 e 500 gradi Celsius, sciogliendo il silicio in nanoparticelle fino alla formazione di goccioline liquide. 

"Continui ad aggiungere atomi di silicio a questa gocciolina e questa si supersatura e precipiterà in una forma solida di nanofili di silicio", afferma Cui. "È un meccanismo davvero bello ed elegante per realizzare questi fili." 

Questi nuovi elettrodi di nanofili di silicio potrebbero sopportare uno sforzo significativo senza la rapida degradazione che avviene nel silicio in massa, consentendo molti cicli di carica e scarica. Poiché il silicio immagazzina 10 volte più litio rispetto alla grafite come anodo, ciò consente quasi il doppio della quantità di energia in una batteria di dimensioni standard. 

Cui ha pubblicato questi risultati in un articolo fondamentale nel 2008. Oltre a dimostrare che era possibile creare una batteria agli ioni di litio con un anodo di silicio puro, l’articolo ha effettivamente aperto la strada al campo della nanoscienza per lo stoccaggio dell’energia.

Alla ricerca del “Santo Graal” dello stoccaggio energetico

Secondo Cui, le batterie al litio metallico sono il “Santo Graal” della ricerca sulle batterie. Sono l'obiettivo principale del Consorzio Battery500, un gruppo di ricercatori provenienti da laboratori nazionali, dal mondo accademico e dall'industria che mira ad aumentare l'energia delle batterie, consentire più cicli di carica/scarica e ridurre i costi delle batterie: tutti aspetti cruciali per raggiungere gli obiettivi del Dipartimento. degli obiettivi di Energy per l’energia a zero emissioni di carbonio e l’elettrificazione. Cui, co-direttore di Battery500, afferma che il litio metallico offre una capacità ancora maggiore rispetto alle batterie agli ioni di litio con anodo di silicio. 

Cui ha trascorso anni alla ricerca di uno strumento di imaging che potesse offrire informazioni dettagliate sul litio metallico e su altri materiali delle batterie. Poiché i fasci di elettroni provenienti dai microscopi elettronici distruggono il litio metallico, osservare le caratteristiche chiave su scala atomica era impossibile. In particolare, Cui voleva esaminare l'interfase dell'elettrolita solido del litio metallico, uno strato di materiale che si forma tra l'anodo e l'elettrolita liquido.

Quando era uno studioso post-dottorato a Berkeley, Cui apprese la microscopia crioelettronica (crio-EM), una tecnologia sviluppata da biologi strutturali per studiare biomolecole come le proteine, ma la risoluzione spaziale era lontana da quella necessaria per studiare il litio metallico. Dieci anni dopo, si rese conto che i progressi nella tecnologia crio-EM avrebbero potuto potenzialmente rivoluzionare la ricerca sulle batterie. 

La volontà di Cui di considerare approcci fuori dagli schemi e fuori dalla disciplina ha dato i suoi frutti. Il suo laboratorio ha impiegato solo quattro mesi per sviluppare una tecnica crio-EM per visualizzare il litio metallico. Raffreddando il materiale fino alla temperatura dell'azoto liquido, Cui è stato in grado di catturare le prime immagini in assoluto del litio metallico e della sua interfase elettrolitica solida su scala atomica. Queste immagini ad alta risoluzione fanno luce sulla natura dei dendriti di litio, che provocano il cortocircuito delle batterie al litio metallico, consentendo persino a Cui di misurare la distanza tra gli atomi (un settimo di nanometro). 

“Nessuno poteva crederci all’inizio!” ride Cui, ricordando quanto sia stato difficile convincere i revisori Scienze che queste erano davvero immagini di litio metallico. 

“Quando non riesco a trovare la soluzione, lascio semplicemente che il problema rimanga lì. Poi ci penserò di nuovo una settimana o mesi dopo. E questo può andare avanti per decenni”, afferma Cui. "Ma ho un esempio in cui, un decennio dopo, ho finalmente capito."

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QUANDO NON RIESCO A TROVARE LE SOLUZIONI, LASCIO CHE IL PROBLEMA SIA QUI.

Poi ci penserò di nuovo una settimana o mesi dopo. E questo può andare avanti per decenni. Ma ho un esempio in cui, dieci anni dopo, finalmente l’ho capito”.

Yi Cui

Un prototipo di batteria nel laboratorio di Cui.

Di fronte ai problemi più impegnativi, Cui è disposto a perseverare e si diverte persino a farlo, una qualità vitale per uno scienziato che affronta il cambiamento climatico. 

“Naturalmente molte persone si spaventano perché il problema è così enorme che temono che non esista una soluzione e diventano pessimiste”, riflette. “Sono ottimista perché credo che riusciremo a trovare le soluzioni”.

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Perché è importante

Le batterie sicure, economiche e ad alta densità energetica sono essenziali per la transizione verso l’energia pulita. La ricerca di Cui potrebbe aiutare a combattere il cambiamento climatico immagazzinando energia eolica e solare, riducendo la dipendenza dai combustibili fossili e raggiungendo obiettivi cruciali di sostenibilità.

Qual'è il prossimo

Oltre alla continua ricerca del suo laboratorio, Cui sfrutterà la sua esperienza di imprenditore come nuovo direttore del Sustainability Accelerator di Stanford, che mira a guidare la traduzione di soluzioni tecnologiche e politiche nel mondo reale.

Perché Stanford

Prima che Cui completasse la sua borsa di studio post-dottorato a Berkeley, aveva ricevuto circa una dozzina di offerte di lavoro di ruolo. Tuttavia, sapeva di voler andare a Stanford dopo il suo primo colloquio nel campus. Ha riconosciuto l'ambiente unico e collaborativo della scuola e il suo rapporto vitale con l'industria.

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