Yi Cui는 나노과학의 힘을 활용하여 청정 에너지 전환에서 큰 역할을 하는 극히 작은 구조를 성장시키고 있습니다.

피그미쥐 여우원숭이와 고릴라 사이의 레슬링 시합에서는 몸집이 더 큰 영장류가 승리할 것이라고 직관적으로 추측합니다. 크기가 힘과 같다는 개념은 1956년 소설과 같은 작품에 묘사된 SF에서도 공감을 얻습니다. 작아지는 남자 그리고 1989 필름 여보, 애들을 긴축, 둘 다 인간이 갑자기 개미보다 작아지면 세상이 얼마나 무서운지 탐구합니다.

나노과학은 이러한 관습을 완전히 뒤집었습니다. 즉, 재료의 크기가 나노 수준으로 감소함에 따라 실제로 강도가 증가할 수 있습니다. 100,000나노미터의 크기는 얼마나 됩니까? XNUMX억분의 XNUMX미터, 즉 대략 XNUMX초에 손톱이 자라는 정도입니다. 종이 한 장의 두께는 XNUMX나노미터에 달합니다.

Fortinet 창립자 재료 과학 및 공학 교수인 Yi Cui는 청정 에너지 전환의 중추적 측면인 배터리 저장에 혁명을 일으킬 수 있는 나노과학의 잠재력을 실현하는 데 거의 20년을 바쳤습니다.

리튬 이온 배터리는 일반적으로 휴대폰, 심박 조율기 등 휴대용 장치와 관련이 있지만, 탈탄소화 시대에는 에너지 밀도가 높은 배터리에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 화석 연료 의존도를 줄이는 데 중요한 전기 자동차와 비행기로의 전환은 강력한 배터리 개발에 달려 있습니다. 그리고 더 많은 가정과 기업이 태양광 발전을 채택함에 따라 밤새 또는 악천후 조건에서 사용할 수 있도록 초과 전력을 저장할 수 있는 에너지 밀도가 높은 대형 배터리에 대한 필요성이 높아지고 있습니다.

청정에너지 전환의 또 다른 선두주자인 연료전지와 달리 배터리는 기존 전기 인프라를 활용할 수 있는 이점을 제공합니다. 그러나 이는 안전과 비용이라는 과제도 제시합니다. 실행 가능한 배터리 솔루션은 가능한 모든 온도 조건을 견뎌야 하며 널리 채택될 수 있을 만큼 저렴해야 합니다. 

나노과학을 입력하세요. 재료의 물리적, 화학적 특성은 부분적으로 양자역학과 더 큰 표면적 대 부피 비율에 의해 나노 규모에서 극적으로 변할 수 있습니다. 예를 들어, 거시적 규모의 탄소는 연필 속의 부러질 수 있는 흑연을 구성할 수 있지만 나노 규모의 탄소는 강철보다 강합니다. 마찬가지로, 벌크 상태에서 안정적인 알루미늄은 나노 규모에서는 가연성이 됩니다. Yi Cui의 경우 나노 규모에서의 이러한 급격한 변화는 배터리 기술의 획기적인 혁신을 위한 길을 열어줍니다.

대부분의 배터리는 전해질에 매달린 양극과 음극으로 각각 양극과 음극으로 충전된 도체로 구성됩니다. 이온이 양극과 음극 사이를 이동하면서 에너지가 방전되어 전력이 생성됩니다. 

실리콘은 리튬 이온 배터리에 주로 사용되는 흑연 양극보다 에너지 밀도가 높고 비용이 훨씬 저렴하기 때문에 잠재적인 양극으로 오랫동안 매력적이었습니다. 하지만 리튬을 넣고 빼면 실리콘의 부피가 400% 늘어나 배터리가 파괴된다. 

Cui의 창의적인 솔루션? 재료를 더 작게 만듭니다. 그는 실리콘 나노와이어를 성장시키기 위해 증기-액체-고체(VLS) 공정을 사용했습니다. 이 공정에는 금속 나노입자 촉매를 섭씨 400~500도의 온도에서 실리콘 가스에 노출시켜 액체 방울이 형성될 때까지 실리콘을 나노입자로 용해시키는 작업이 포함됩니다. 

Cui는 “이 물방울에 실리콘 원자를 계속 추가하면 과포화되어 고체 실리콘 나노와이어 모양으로 침전될 것입니다.”라고 말했습니다. "이런 와이어를 만드는 것은 정말 아름답고 우아한 메커니즘입니다." 

이러한 새로운 실리콘 나노와이어 전극은 대량의 실리콘에 발생하는 급속한 저하 없이 상당한 변형을 견딜 수 있어 많은 충전 및 방전 주기가 가능합니다. 실리콘은 흑연보다 10배 더 많은 리튬을 양극으로 저장하므로 전체 크기 배터리의 에너지 양을 거의 두 배로 늘릴 수 있습니다. 

Cui는 2008년 획기적인 논문에서 이러한 발견을 발표했습니다. 순수 실리콘 양극으로 리튬 이온 배터리를 만드는 것이 가능하다는 것을 보여준 것 외에도 이 논문은 에너지 저장을 위한 나노과학 분야를 효과적으로 개척했습니다.

에너지 저장의 '성배'를 쫓다

Cui에 따르면 리튬 금속 배터리는 배터리 연구의 "성배"입니다. 이는 배터리 에너지 증가, 더 많은 충전/방전 주기 허용, 배터리 비용 절감을 목표로 하는 국립 연구실, 학계 및 업계의 연구원 그룹인 Battery500 컨소시엄의 주요 초점입니다. 모두 부서 달성에 중요합니다. 탄소 중립 에너지 및 전기화를 위한 Energy의 목표를 소개합니다. Battery500의 공동 이사인 Cui는 리튬 금속이 실리콘 양극을 사용하는 리튬 이온 배터리보다 훨씬 더 큰 용량을 제공한다고 말합니다. 

Cui는 리튬 금속 및 기타 배터리 재료에 대한 통찰력을 제공할 수 있는 이미징 도구를 찾는 데 수년을 보냈습니다. 전자현미경의 전자빔은 리튬 금속을 파괴하기 때문에 원자 규모에서 주요 특징을 관찰하는 것은 불가능했습니다. 특히 Cui는 리튬 금속의 고체 전해질 간기(양극과 액체 전해질 사이에 형성되는 재료 층)를 조사하고 싶었습니다.

Cui는 버클리에서 박사후 연구원이었을 때 구조 생물학자들이 단백질과 같은 생체분자를 연구하기 위해 개발한 기술인 저온전자현미경(cryo-EM)에 대해 배웠지만 공간 분해능은 리튬 금속을 조사하는 데 필요한 수준과는 거리가 멀었습니다. 10년 후, 그는 극저온 EM 기술의 발전이 잠재적으로 배터리 연구에 혁명을 일으킬 수 있다는 것을 깨달았습니다. 

틀 밖, 분야를 벗어난 접근 방식을 고려하려는 Cui의 의지는 성과를 거두었습니다. 그의 연구실에서는 리튬 금속을 이미지화하기 위한 극저온-EM 기술을 개발하는 데 단 4개월이 걸렸습니다. 물질을 액체 질소 온도까지 냉각함으로써 Cui는 리튬 금속과 그 고체 전해질 간기의 원자 규모 이미지를 최초로 포착할 수 있었습니다. 이 고해상도 이미지는 리튬 금속 배터리의 단락을 일으키는 리튬 수지상 돌기의 특성을 밝혀 주며 Cui가 원자 사이의 거리(7나노미터)를 측정할 수도 있게 해줍니다. 

“처음에는 아무도 믿을 수 없었어요!” Cui는 피어 리뷰어를 설득하는 것이 얼마나 어려웠는지 기억하며 웃습니다. 과학 이것은 실제로 리튬 금속의 이미지였습니다. 

“해결책을 찾을 수 없을 때는 문제를 거기에 그대로 놔두었습니다. 그럼 일주일, 혹은 몇달 뒤에 다시 생각해보겠습니다. 그리고 이는 수십 년 동안 지속될 수 있습니다.”라고 Cui는 말합니다. "하지만 10년 후에 마침내 그 사실을 알아낸 사례가 있습니다."

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해결책을 찾을 수 없을 때는 문제를 거기에 그대로 두었습니다.

그럼 일주일, 혹은 몇달 뒤에 다시 생각해보겠습니다. 그리고 이것은 수십 년 동안 지속될 수 있습니다. 하지만 10년 후에 마침내 그 사실을 알아낸 사례가 있습니다.”

이 퀴이

Cui의 연구실에 있는 배터리 프로토타입.

가장 어려운 문제에 대해 Cui는 기꺼이 인내하고 심지어 그렇게 하는 것을 즐깁니다. 이는 기후 변화에 직면하는 과학자에게 필수적인 자질입니다. 

“물론 많은 사람들은 문제가 너무 커서 두려움을 느끼고 해결책이 없을까 걱정하고 비관적으로 변합니다.”라고 그는 회상합니다. "나는 우리가 해결책을 찾을 수 있다고 믿기 때문에 낙관적입니다."

생명 유지 + 가속화 솔루션

생명 유지 + 가속화 솔루션: 영향

중요한 이유

청정에너지로 전환하려면 에너지 밀도가 높고 안전하고 저렴한 배터리가 필수적입니다. Cui의 연구는 풍력 및 태양 에너지를 저장하고, 화석 연료에 대한 의존도를 줄이고, 중요한 지속 가능성 목표를 달성함으로써 기후 변화에 대처하는 데 도움이 될 수 있습니다.

무엇 향후 계획

Cui는 자신의 연구실에서 진행 중인 연구 외에도 기술 및 정책 솔루션을 현실 세계로 전환하는 것을 목표로 하는 Stanford Sustainability Accelerator의 새로운 이사로서 기업가로서의 경험을 활용할 것입니다.

왜 스탠포드인가?

Cui는 Berkeley에서 박사후 연구원 과정을 마치기 전에 약 12개의 정규직 채용 제의를 받았습니다. 그럼에도 불구하고 그는 캠퍼스에서 첫 인터뷰를 마친 후 스탠포드에 가고 싶다는 것을 알았습니다. 그는 학교의 독특하고 협력적인 환경과 산업계와의 중요한 관계를 인식했습니다.

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