Yi Cui は、ナノサイエンスの力を利用して、クリーン エネルギーへの移行において大きな役割を果たす極めて小さな構造を成長させています。
コビトネズミキツネザルとゴリラのレスリングの試合では、体が大きい霊長類が勝つだろうと直感的に思われる。サイズが強度に等しいという概念は、1956 年の小説などの作品で描かれた SF にも共鳴します。 縮みゆく男 そして、1989フィルム ハニー、私はキッズ縮小し、両方とも、人間が突然アリより小さくなったら、世界はどれほど恐ろしいことになるかを調査しています。
ナノサイエンスはこの常識を覆します。材料のサイズがナノスケールまで小さくなると、実際に強度が向上します。 100,000ナノメートルの大きさはどれくらいですか? XNUMX 億分の XNUMX メートル、またはおよそ XNUMX 秒間に爪が伸びる量。紙 XNUMX 枚の厚さはなんと XNUMX ナノメートルです。
フォーティネット創設者材料科学工学教授である Yi Cui 氏は、クリーン エネルギー移行の極めて重要な側面であるバッテリー ストレージに革命をもたらすナノサイエンスの可能性を解き放つことに、20 年近くを捧げてきました。
リチウムイオン電池というと携帯電話やペースメーカーなどのポータブル機器を連想するのが一般的ですが、脱炭素化の世界ではエネルギー密度の高い電池の需要が高まっています。化石燃料への依存を減らすために重要な電気自動車や飛行機への移行は、強力なバッテリーの開発にかかっています。また、太陽光発電を導入する家庭や企業が増えるにつれ、夜間や悪天候時に使用するために余剰電力を蓄えることができる、エネルギー密度の高い大型バッテリーのニーズが高まっています。
クリーン エネルギーへの移行におけるもう 1 つの最有力候補である燃料電池とは異なり、バッテリーには既存の電力インフラを活用できるという利点があります。しかし、安全性とコストという課題も抱えています。実行可能なバッテリー ソリューションはすべて、考えられるすべての温度条件に耐え、広く普及できるほど安価でなければなりません。
ナノサイエンスに参入してください。材料の物理的および化学的特性は、量子力学とより大きな表面積対体積比によって部分的に促進され、ナノスケールで劇的に変化する可能性があります。たとえば、マクロスケールの炭素は鉛筆の折れるグラファイトを構成する可能性がありますが、ナノスケールの炭素は鋼よりも強度があります。同様に、バルクでは安定しているアルミニウムも、ナノスケールでは可燃性になります。 Yi Cui 氏にとって、このようなナノスケールでの根本的な変化は、バッテリー技術における画期的なイノベーションへの道を切り開きます。
ほとんどのバッテリーは、電解液中に懸濁された正と負に帯電した導体 (それぞれアノードとカソード) で構成されています。イオンがアノードとカソードの間を移動すると、エネルギーが放出され、電力が発生します。
シリコンは、リチウムイオン電池で主に使用されているグラファイト陽極よりもエネルギー密度が高く、コストがはるかに低いため、潜在的な陽極として長い間魅力的でした。ただし、リチウムを挿入および抽出するとシリコンの体積は 400% 増加し、バッテリーが破壊されます。
Cui の創造的な解決策は?材料を小さくすること。同氏は、シリコンナノワイヤの成長に気液固（VLS）プロセスを使用した。このプロセスでは、金属ナノ粒子触媒を摂氏400～500度の温度でシリコンガスにさらし、液滴が形成されるまでシリコンをナノ粒子に溶解する。
「この液滴にシリコン原子を追加し続けると、過飽和状態になり、固体のシリコン ナノワイヤの形状で沈殿します」と Cui 氏は言います。 「これらのワイヤーを作るのは本当に美しく、エレガントな仕組みです。」
これらの新しいシリコン ナノワイヤ電極は、バルクのシリコンに起こる急速な劣化を起こすことなく、大きな歪みに耐えることができるため、充電と放電を何度も繰り返しても大丈夫です。シリコンは負極としてグラファイトよりも 10 倍多くのリチウムを蓄えるため、フルサイズのバッテリーではほぼ XNUMX 倍のエネルギー量が可能になります。
Cui 氏は、これらの発見を 2008 年に画期的な論文で発表しました。この論文は、純粋なシリコンアノードを備えたリチウムイオン電池の作成が可能であることを示すことに加えて、エネルギー貯蔵のためのナノサイエンスの分野を効果的に開拓しました。
エネルギー貯蔵の「聖杯」を追い求める
崔氏によれば、リチウム金属電池は電池研究の「聖杯」だという。これらは、バッテリーのエネルギーを増加させ、より多くの充放電サイクルを可能にし、バッテリーのコストを削減することを目的とした国立研究機関、学界、産業界の研究者グループである Battery500 コンソーシアムの主な焦点です。これらはすべて部門を達成するために重要です。カーボンニュートラルなエネルギーと電化に関するエナジー社の目標。 Battery500の共同ディレクターであるCui氏は、リチウム金属はシリコン負極を備えたリチウムイオン電池よりもさらに大きな容量を提供すると述べています。
Cui 氏は、リチウム金属やその他の電池材料についての洞察を提供できる画像ツールを何年も探していました。電子顕微鏡からの電子ビームはリチウム金属を破壊するため、原子スケールで重要な特徴を観察することは不可能でした。特に、Cui 氏は、リチウム金属の固体電解質界面、つまりアノードと液体電解質の間に形成される材料の層を調査したいと考えていました。
キュイ氏は、バークレー大学の博士研究員だったときに、タンパク質などの生体分子を研究するために構造生物学者によって開発された技術であるクライオ電子顕微鏡法（クライオEM）について学びましたが、その空間分解能はリチウム金属の調査に必要な解像度とは程遠いものでした。 10 年後、彼はクライオ EM 技術の進歩が電池研究に革命を起こす可能性があることに気づきました。
既成概念や専門分野にとらわれないアプローチを検討する崔氏の意欲が功を奏した。彼の研究室では、リチウム金属を画像化するためのクライオ EM 技術を開発するのにわずか 4 か月かかりました。材料を液体窒素の温度まで冷却することにより、Cui 氏は、リチウム金属とその固体電解質界面の原子スケールでの初の画像を撮影することができました。この高解像度イメージングにより、リチウム金属電池の短絡を引き起こすリチウム樹枝状結晶の性質が明らかになり、Cui 氏は原子間の距離 (1/7 ナノメートル) を測定できるようになりました。
「最初は誰も信じられませんでした！」崔氏は笑いながら、査読者を説得するのがいかに大変だったかを思い出した。 科学 これらは本当にリチウム金属の画像だったということです。
「解決策が見つからないときは、問題をそのまま放置します。そして、一週間後、数カ月後にまた考えてみます。そしてこれは何十年も続く可能性があります」とCui氏は言います。 「しかし、10年後、ついにそれを理解した例があります。」
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解決策が見つからないときは、問題をそのまま放置します。
そして、一週間後、数カ月後にまた考えてみます。そしてこれは何十年も続く可能性があります。しかし、10年後、ついにそれを理解した例があります。」
イ・クイ
Cui の研究室にあるバッテリーのプロトタイプ。
最も困難な問題に対しても、崔氏は喜んで粘り強く取り組み、それを楽しんでいます。これは、気候変動に立ち向かう科学者にとって不可欠な資質です。
「もちろん、問題があまりに大きいので多くの人が恐怖を感じ、解決策がないのではないかと心配し、悲観的になります」と彼は振り返る。 「解決策を見つけることができると信じているので、私は楽観的です。」
生命の維持 + ソリューションの加速
生命の維持 + ソリューションの加速: 影響
なぜそれが重要
クリーン エネルギーへの移行には、エネルギー密度が高く、安全で安価なバッテリーが不可欠です。崔氏の研究は、風力や太陽エネルギーを貯蔵し、化石燃料への依存を減らし、極めて重要な持続可能性目標を達成することにより、気候変動との戦いに役立つ可能性がある。
次は何ですか
研究室での進行中の研究に加えて、崔氏は、テクノロジーと政策ソリューションの現実世界への翻訳を推進することを目的としたスタンフォード大学のサステナビリティ・アクセラレーターの新ディレクターとして、起業家としての経験を活用します。
なぜスタンフォードなのか
崔氏はバークレー校での博士研究員制度を修了する前に、約十件のテニュアトラックの仕事のオファーを受けていた。それでも、キャンパスでの最初の面接の後、彼はスタンフォードに行きたいと思っていた。彼は、この学校のユニークで協力的な環境と、産業界との重要な関係を認識しました。
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- 情報源： https://genesisnanotech.wordpress.com/2024/03/26/stanford-universitys-battery-super-power/
