Yi Cui utnytter nanovitenskapens kraft for å dyrke ekstremt små strukturer - som spiller en stor rolle i overgangen til ren energi

I en brytekamp mellom en pygmemus-lemur og en gorilla, tyder intuisjonen på at den større primaten ville vinne. Forestillingen om at størrelse er lik styrke finner også resonans i science fiction, avbildet i verk som 1956-romanen Den krympende mannen og 1989-filmen Honning, jeg krympet barna, som begge utforsker hvor skremmende verden ville vært hvis mennesker plutselig var mindre enn maur.

Nanovitenskap snur denne konvensjonen på hodet: Når materialer avtar i størrelse til nanoskala, kan de faktisk vise økt styrke. Hvor stor er en nanometer? En milliarddels meter, eller omtrent hvor mye neglene dine vokser på ett sekund. Tykkelsen på et enkelt papirark måler svimlende 100,000 XNUMX nanometer.

Yi Cui, Fortinets grunnleggerprofessor i materialvitenskap og ingeniørvitenskap, har dedikert nesten to tiår til å frigjøre nanovitenskapens potensial for å revolusjonere et sentralt aspekt ved overgangen til ren energi: batterilagring.

Mens litium-ion-batterier ofte forbindes med bærbare enheter – mobiltelefoner, pacemakere – øker etterspørselen etter energitette batterier i en verden av avkarbonisering. Overgangen til elektriske biler og fly, avgjørende for å redusere avhengigheten av fossilt brensel, avhenger av utvikling av kraftige batterier. Og etter hvert som flere husholdninger og bedrifter tar i bruk solenergi, er det et økende behov for store, energitette batterier som er i stand til å lagre overflødig strøm for bruk over natten eller under ugunstige værforhold.

I motsetning til brenselceller – en annen frontløper i overgangen til ren energi – tilbyr batterier fordelen med å utnytte den eksisterende elektrisitetsinfrastrukturen. Men de byr også på utfordringer, nemlig sikkerhet og kostnader. Enhver levedyktig batteriløsning må tåle alle mulige temperaturforhold og være rimelig nok for utbredt bruk. 

Gå inn i nanovitenskap. De fysiske og kjemiske egenskapene til materialer kan endres dramatisk på nanoskala, delvis drevet av kvantemekanikk og et større forhold mellom overflateareal og volum. For eksempel, mens karbon på makroskala kan utgjøre for eksempel den snabelbare grafitten i blyanten din, er karbon på nanoskala sterkere enn stål. På samme måte blir aluminium, som er stabilt i bulk, brennbart på nanoskala. For Yi Cui åpner slike radikale endringer på nanoskala en vei for banebrytende innovasjon innen batteriteknologi.

De fleste batterier består av positivt og negativt ladede ledere - henholdsvis en anode og katode - suspendert i en elektrolytt. Når ioner beveger seg mellom anoden og katoden, utlades energi og genererer kraft. 

Silisium har lenge vært attraktivt som en potensiell anode fordi det har større energitetthet og koster mye mindre enn grafittanodene som hovedsakelig brukes i litium-ion-batterier. Silisiums volum øker imidlertid 400 prosent når litium settes inn og trekkes ut, noe som ødelegger batteriet. 

Cuis kreative løsning? Gjør materialene mindre. Han brukte en damp-væske-fast (VLS) prosess for å dyrke silisium nanotråder, som innebærer å eksponere metall nanopartikkelkatalysatorer for silisiumgass ved temperaturer fra 400-500 grader Celsius, oppløse silisium til nanopartikler til væskedråper dannes. 

"Du fortsetter å legge til silisiumatomer til denne dråpen, og den vil supermette og felle ut i en solid silisium nanotrådform," sier Cui. "Det er en veldig vakker, elegant mekanisme for å lage disse ledningene." 

Disse nye silisium nanotrådelektrodene kan ta betydelig belastning uten den raske nedbrytningen som skjer til silisium i bulk, noe som muliggjør mange sykluser med lading og utlading. Siden silisium lagrer 10 ganger mer litium enn grafitt som en anode, gir dette nesten dobbelt så mye energi i et batteri i full størrelse. 

Cui publiserte disse funnene i et landemerkepapir i 2008. I tillegg til å vise at det var mulig å lage et litium-ion-batteri med en ren silisiumanode, var papiret effektivt banebrytende innen nanovitenskap for energilagring.

Jager den "hellige gral" av energilagring

Ifølge Cui er litiummetallbatterier den "hellige gral" for batteriforskning. De er hovedfokuset for Battery500 Consortium, en gruppe forskere fra nasjonale laboratorier, akademia og industri som har som mål å øke energien til batterier, tillate flere lade-/utladingssykluser og redusere batterikostnadene – alt avgjørende for å oppnå avdelingen av Energys mål for karbonnøytral energi og elektrifisering. Cui, meddirektør for Battery500, sier litiummetall tilbyr enda større kapasitet enn litiumionbatterier med silisiumanode. 

Cui brukte år på å søke etter et bildeverktøy som kunne gi innsikt i litiummetall og andre batterimaterialer. Siden elektronstråler fra elektronmikroskoper ødelegger litiummetall, var det umulig å observere nøkkeltrekk på atomskala. Spesielt ønsket Cui å undersøke litiummetallets faste elektrolytt-interfase - et lag av materiale som dannes mellom anoden og den flytende elektrolytten.

Da han var postdoktor ved Berkeley, lærte Cui om kryo-elektronmikroskopi (cryo-EM), en teknologi utviklet av strukturelle biologer for å studere biomolekyler som proteiner, men den romlige oppløsningen var langt fra det som var nødvendig for å undersøke litiummetall. Ti år senere innså han at fremskritt innen kryo-EM-teknologi potensielt kunne revolusjonere batteriforskning. 

Cuis vilje til å vurdere tilnærminger utenfor boksen og utenfor disiplinen ga resultater. Det tok laboratoriet hans bare fire måneder å utvikle en kryo-EM-teknikk for å avbilde litiummetall. Ved å kjøle materialet ned til temperaturen til flytende nitrogen, var Cui i stand til å fange de første bildene noensinne av litiummetall og dets faste elektrolytt-interfase på atomskala. Denne høyoppløselige bildebehandlingen kastet lys over naturen til litiumdendritter, som får litiummetallbatterier til å kortslutte, og lar til og med Cui måle avstanden mellom atomer (en syvendedel av en nanometer). 

"Ingen kunne tro det i begynnelsen!" ler Cui, og husker hvor vanskelig det var å overbevise fagfellevurderinger om Vitenskap at dette virkelig var bilder av litiummetall. 

«Når jeg ikke finner løsningen, lar jeg bare problemet henge der. Så skal jeg tenke på det igjen en uke eller måneder senere. Og dette kan fortsette i flere tiår, sier Cui. "Men jeg har et eksempel hvor jeg et tiår senere endelig fant ut av det."

"

NÅR JEG IKKE FINNER LØSNINGENE, LA JEG BARE PROBLEMET HENGE DER.

Så skal jeg tenke på det igjen en uke eller måneder senere. Og dette kan fortsette i flere tiår. Men jeg har et eksempel hvor jeg et tiår senere endelig fant ut av det.»

Yi Cui

En batteriprototype i Cuis laboratorium.

Med de mest utfordrende problemene er Cui villig til å holde ut og liker til og med å gjøre det – en viktig egenskap for en vitenskapsmann som konfronterer klimaendringer. 

"Selvfølgelig føler mange mennesker redde fordi problemet er så stort at de bekymrer seg for at det ikke finnes noen løsning, og de blir pessimistiske," reflekterer han. "Jeg er optimistisk fordi jeg tror vi vil være i stand til å finne løsningene."

Sustaining Life + Accelerating Solutions

Sustaining Life + Accelerating Solutions: Effekten

Hvorfor det betyr noe

Trygge, rimelige batterier med høy energitetthet er avgjørende for overgangen til ren energi. Cuis forskning kan bidra til å bekjempe klimaendringer ved å lagre vind- og solenergi, redusere avhengigheten av fossilt brensel og møte sentrale bærekraftsmål.

Hva blir det neste

I tillegg til laboratoriets pågående forskning, vil Cui utnytte sin erfaring som gründer som ny direktør for Stanfords Sustainability Accelerator, som har som mål å drive oversettelsen av teknologi og politiske løsninger til den virkelige verden.

Hvorfor Stanford

Før Cui fullførte sitt postdoktorstipend på Berkeley, hadde han mottatt omtrent et dusin ansettelsestilbud. Likevel visste han at han ønsket å dra til Stanford etter sitt første intervju på campus. Han anerkjente skolens unike, samarbeidsmiljø og dets viktige forhold til industrien.

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk deg selv. Tilgang her.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• PlatoESG. Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
• PlatoHelse. Bioteknologisk og klinisk etterretning. Tilgang her.
• kilde: https://genesisnanotech.wordpress.com/2024/03/26/stanford-universitys-battery-super-power/