Yi Cui maakt gebruik van de kracht van de nanowetenschap om extreem kleine structuren te laten groeien, die een grote rol spelen in de transitie naar schone energie

In een worstelwedstrijd tussen een dwergmaki en een gorilla suggereert intuïtie dat de grotere primaat zou winnen. Het idee dat grootte gelijk is aan kracht vindt ook weerklank in sciencefiction, zoals afgebeeld in werken als de roman uit 1956 De krimpende man en de 1989 film Schat, ik Shrunk the Kids, die allebei onderzoeken hoe angstaanjagend de wereld zou zijn als mensen plotseling kleiner zouden zijn dan mieren.

Nanowetenschap zet deze conventie op zijn kop: naarmate materialen kleiner worden tot op nanoschaal, kunnen ze feitelijk een grotere sterkte vertonen. Hoe groot is één nanometer? Een miljardste van een meter, oftewel hoeveel je vingernagels in één seconde groeien. De dikte van een enkel vel papier bedraagt ​​maar liefst 100,000 nanometer.

Yi Cui, hoogleraar Materials Science and Engineering van de oprichters van Fortinet, heeft bijna twintig jaar gewijd aan het ontsluiten van het potentieel van de nanowetenschap om een ​​cruciaal aspect van de transitie naar schone energie te revolutioneren: batterijopslag.

Terwijl lithium-ionbatterijen vaak worden geassocieerd met draagbare apparaten – mobiele telefoons, pacemakers – groeit de vraag naar energiedichte batterijen in de wereld van het koolstofvrij maken. De transitie naar elektrische auto’s en vliegtuigen, die cruciaal zijn voor het terugdringen van de afhankelijkheid van fossiele brandstoffen, hangt af van de ontwikkeling van krachtige batterijen. En nu steeds meer huishoudens en bedrijven gebruik maken van zonne-energie, is er een toenemende behoefte aan grote, energiedichte batterijen die overtollige energie kunnen opslaan voor gebruik 's nachts of tijdens ongunstige weersomstandigheden.

In tegenstelling tot brandstofcellen – een andere koploper in de transitie naar schone energie – bieden batterijen het voordeel dat ze gebruik kunnen maken van de bestaande elektriciteitsinfrastructuur. Maar ze brengen ook uitdagingen met zich mee, namelijk veiligheid en kosten. Elke levensvatbare batterijoplossing moet bestand zijn tegen alle mogelijke temperatuuromstandigheden en goedkoop genoeg zijn voor brede toepassing. 

Voer nanowetenschap in. De fysische en chemische eigenschappen van materialen kunnen op nanoschaal dramatisch veranderen, deels aangedreven door de kwantummechanica en een grotere verhouding tussen oppervlakte en volume. Terwijl koolstof op macroschaal bijvoorbeeld het snapbare grafiet in je potlood zou kunnen vormen, is koolstof op nanoschaal sterker dan staal. Op dezelfde manier wordt aluminium, dat in bulk stabiel is, brandbaar op nanoschaal. Voor Yi Cui openen dergelijke radicale veranderingen op nanoschaal een pad voor baanbrekende innovatie op het gebied van batterijtechnologie.

De meeste batterijen bestaan ​​uit positief en negatief geladen geleiders (respectievelijk een anode en een kathode) die in een elektrolyt zijn opgehangen. Terwijl ionen tussen de anode en de kathode bewegen, wordt energie ontladen en wordt energie gegenereerd. 

Silicium is lange tijd aantrekkelijk geweest als potentiële anode omdat het een grotere energiedichtheid heeft en veel minder kost dan de grafietanodes die voornamelijk in lithium-ionbatterijen worden gebruikt. Het volume van silicium neemt echter met 400 procent toe wanneer lithium wordt ingebracht en verwijderd, waardoor de batterij wordt vernietigd. 

Cui's creatieve oplossing? Het kleiner maken van de materialen. Hij gebruikte een vapor-liquid-solid (VLS)-proces om silicium nanodraden te laten groeien, waarbij metalen nanodeeltjeskatalysatoren worden blootgesteld aan siliciumgas bij temperaturen van 400-500 graden Celsius, waarbij silicium in nanodeeltjes wordt opgelost totdat zich vloeibare druppeltjes vormen. 

“Als je steeds siliciumatomen aan dit druppeltje toevoegt, zal het oververzadigd raken en neerslaan in de vorm van een vaste silicium nanodraad”, zegt Cui. “Het is een heel mooi, elegant mechanisme om deze draden te maken.” 

Deze nieuwe silicium nanodraadelektroden zouden aanzienlijke spanning kunnen verdragen zonder de snelle degradatie die optreedt bij silicium in bulk, waardoor vele cycli van opladen en ontladen mogelijk zijn. Omdat silicium 10 keer meer lithium als anode opslaat dan grafiet, zorgt dit voor bijna het dubbele van de hoeveelheid energie in een batterij van volledige grootte. 

Cui publiceerde deze bevindingen in 2008 in een baanbrekend artikel. Naast het aantonen dat het mogelijk was om een ​​lithium-ionbatterij met een zuivere siliciumanode te maken, was het artikel ook effectief een pionier op het gebied van de nanowetenschappen voor energieopslag.

Op jacht naar de ‘heilige graal’ van energieopslag

Volgens Cui zijn lithium-metaalbatterijen de “heilige graal” van batterijonderzoek. Ze zijn de primaire focus van het Battery500 Consortium, een groep onderzoekers uit nationale laboratoria, de academische wereld en de industrie die tot doel heeft de energie van batterijen te verhogen, meer laad-/ontlaadcycli mogelijk te maken en de batterijkosten te verlagen – allemaal cruciaal voor het bereiken van de afdeling van Energy's doelstellingen voor koolstofneutrale energie en elektrificatie. Cui, mededirecteur van Battery500, zegt dat lithiummetaal een nog grotere capaciteit biedt dan lithium-ionbatterijen met een siliciumanode. 

Cui heeft jarenlang gezocht naar een beeldvormend hulpmiddel dat inzicht kon bieden in lithiummetaal en andere batterijmaterialen. Omdat elektronenbundels van elektronenmicroscopen lithiummetaal vernietigen, was het onmogelijk om belangrijke kenmerken op atomaire schaal te observeren. In het bijzonder wilde Cui de vaste elektrolyt-interfase van lithiummetaal onderzoeken: een materiaallaag die zich vormt tussen de anode en de vloeibare elektrolyt.

Toen hij postdoctoraal onderzoeker was in Berkeley, leerde Cui over cryo-elektronenmicroscopie (cryo-EM), een technologie ontwikkeld door structurele biologen om biomoleculen zoals eiwitten te bestuderen, maar de ruimtelijke resolutie was verre van wat nodig was om lithiummetaal te onderzoeken. Tien jaar later realiseerde hij zich dat de vooruitgang in de cryo-EM-technologie mogelijk een revolutie teweeg zou kunnen brengen in het batterijonderzoek. 

Cui's bereidheid om 'outside-the-box' en 'buiten de discipline'-benaderingen te overwegen, heeft zijn vruchten afgeworpen. Het kostte zijn laboratorium slechts vier maanden om een ​​cryo-EM-techniek te ontwikkelen om lithiummetaal in beeld te brengen. Door het materiaal af te koelen tot de temperatuur van vloeibare stikstof, kon Cui de allereerste beelden vastleggen van lithiummetaal en zijn vaste elektrolyt-interfase op atomaire schaal. Deze beeldvorming met hoge resolutie werpt licht op de aard van lithiumdendrieten, die ervoor zorgen dat lithium-metaalbatterijen kortsluiten, waardoor Cui zelfs de afstand tussen atomen kan meten (een zevende van een nanometer). 

“In het begin kon niemand het geloven!” lacht Cui, terwijl hij zich herinnert hoe moeilijk het was om peer reviewers te overtuigen Wetenschap dat dit echt afbeeldingen van lithiummetaal waren. 

“Als ik de oplossing niet kan vinden, laat ik het probleem daar maar hangen. Dan denk ik er een week of maanden later nog eens over na. En dit kan tientallen jaren doorgaan”, zegt Cui. “Maar ik heb wel een voorbeeld waarbij ik er tien jaar later eindelijk achter kwam.”

"

WANNEER IK DE OPLOSSINGEN NIET KAN VINDEN, LAAT IK HET PROBLEEM DAAR BLIJVEN.

Dan denk ik er een week of maanden later nog eens over na. En dit kan tientallen jaren doorgaan. Maar ik heb wel een voorbeeld waarbij ik er tien jaar later eindelijk achter kwam.”

Yi Cui

Een batterijprototype in het laboratorium van Cui.

Bij de meest uitdagende problemen is Cui bereid om door te zetten en doet hij dat zelfs met plezier – een essentiële eigenschap voor een wetenschapper die met de klimaatverandering wordt geconfronteerd. 

“Natuurlijk zijn veel mensen bang omdat het probleem zo groot is dat ze zich zorgen maken dat er geen oplossing is, en ze worden pessimistisch”, reflecteert hij. “Ik ben optimistisch omdat ik geloof dat we de oplossingen zullen kunnen vinden.”

Leven in stand houden + oplossingen versnellen

Leven in stand houden + oplossingen versnellen: de impact

Waarom dit zo belangrijk is

Veilige, goedkope batterijen met een hoge energiedichtheid zijn essentieel voor de transitie naar schone energie. Cui's onderzoek zou de klimaatverandering kunnen helpen bestrijden door wind- en zonne-energie op te slaan, de afhankelijkheid van fossiele brandstoffen te verminderen en cruciale duurzaamheidsdoelstellingen te verwezenlijken.

Wat is het volgende

Naast het lopende onderzoek in zijn laboratorium zal Cui zijn ervaring als ondernemer benutten als de nieuwe directeur van Stanford's Sustainability Accelerator, die tot doel heeft de vertaling van technologie en beleidsoplossingen naar de echte wereld te stimuleren.

Waarom Stanford

Voordat Cui zijn postdoctorale fellowship aan Berkeley voltooide, had hij ongeveer een dozijn tenure track-banen ontvangen. Toch wist hij na zijn eerste sollicitatiegesprek op de campus dat hij naar Stanford wilde. Hij erkende de unieke, collaboratieve omgeving van de school en haar vitale relatie met de industrie.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• Bron: https://genesisnanotech.wordpress.com/2024/03/26/stanford-universitys-battery-super-power/