Yi Cui está aproveitando o poder da nanociência para desenvolver estruturas extremamente pequenas – que desempenham um papel enorme na transição para energia limpa

Em uma luta entre um lêmure-rato-pigmeu e um gorila, a intuição sugere que o primata maior venceria. A noção de que tamanho é igual a força também encontra ressonância na ficção científica, retratada em obras como o romance de 1956 O homem encolhido eo filme 1989 Querida, Encolhi as Crianças, ambos explorando o quão aterrorizante seria o mundo se os humanos fossem subitamente menores que as formigas.

A nanociência vira essa convenção de cabeça para baixo: à medida que os materiais diminuem de tamanho até a nanoescala, eles podem, na verdade, exibir maior resistência. Qual é o tamanho de um nanômetro? Um bilionésimo de metro, ou aproximadamente o quanto suas unhas crescem em um segundo. A espessura de uma única folha de papel mede impressionantes 100,000 nanômetros.

Yi Cui, Professor Fundador de Ciência e Engenharia de Materiais da Fortinet, dedicou quase duas décadas para desbloquear o potencial da nanociência para revolucionar um aspecto fundamental da transição para energia limpa: o armazenamento em bateria.

Embora as baterias de iões de lítio sejam normalmente associadas a dispositivos portáteis – telemóveis, pacemakers – a procura de baterias com elevada densidade energética está a crescer no mundo da descarbonização. A transição para carros e aviões eléctricos, fundamental para reduzir a dependência dos combustíveis fósseis, depende do desenvolvimento de baterias potentes. E à medida que mais famílias e empresas adotam a energia solar, há uma necessidade crescente de baterias grandes e com alta densidade energética, capazes de armazenar o excesso de energia para uso durante a noite ou durante condições climáticas adversas.

Ao contrário das células de combustível – outra pioneira na transição para a energia limpa – as baterias oferecem a vantagem de aproveitar a infraestrutura elétrica existente. Mas também apresentam desafios, nomeadamente segurança e custos. Qualquer solução viável de bateria deve suportar todas as condições de temperatura possíveis e ser barata o suficiente para adoção generalizada. 

Entre na nanociência. As propriedades físicas e químicas dos materiais podem mudar drasticamente em nanoescala, impulsionadas em parte pela mecânica quântica e por uma maior proporção entre área de superfície e volume. Por exemplo, embora o carbono à macroescala possa constituir, digamos, a grafite quebrável no seu lápis, o carbono à nanoescala é mais forte que o aço. Da mesma forma, o alumínio, que é estável a granel, torna-se combustível em nanoescala. Para Yi Cui, essas mudanças radicais em nanoescala abrem um caminho para inovações revolucionárias na tecnologia de baterias.

A maioria das baterias consiste em condutores carregados positiva e negativamente – um ânodo e um cátodo, respectivamente – suspensos em um eletrólito. À medida que os íons se movem entre o ânodo e o cátodo, a energia é descarregada, gerando energia. 

O silício há muito tempo é atraente como ânodo potencial porque tem maior densidade de energia e custa muito menos do que os ânodos de grafite usados ​​predominantemente em baterias de íon-lítio. No entanto, o volume do silício aumenta 400% quando o lítio é inserido e extraído, destruindo a bateria. 

A solução criativa de Cui? Tornando os materiais menores. Ele usou um processo vapor-líquido-sólido (VLS) para cultivar nanofios de silício, que envolve a exposição de catalisadores de nanopartículas metálicas ao gás silício a temperaturas de 400-500 graus Celsius, dissolvendo o silício em nanopartículas até que se formem gotículas líquidas. 

“Você continua adicionando átomos de silício a essa gota, e ela ficará supersaturada e precipitada em um formato de nanofio de silício sólido”, diz Cui. “É um mecanismo muito bonito e elegante para fazer esses fios.” 

Esses novos eletrodos de nanofios de silício poderiam sofrer tensões significativas sem a rápida degradação que ocorre no silício a granel, permitindo muitos ciclos de carga e descarga. Como o silício armazena 10 vezes mais lítio do que o grafite como ânodo, isso permite quase o dobro da quantidade de energia de uma bateria de tamanho normal. 

Cui publicou essas descobertas em um artigo histórico em 2008. Além de mostrar que era possível criar uma bateria de íons de lítio com um ânodo de silício puro, o artigo foi efetivamente pioneiro no campo da nanociência para armazenamento de energia.

Perseguindo o “Santo Graal” do armazenamento de energia

De acordo com Cui, as baterias de metal de lítio são o “Santo Graal” da pesquisa sobre baterias. Eles são o foco principal do Consórcio Battery500, um grupo de pesquisadores de laboratórios nacionais, academia e indústria que visa aumentar a energia das baterias, permitir mais ciclos de carga/descarga e reduzir o custo da bateria – tudo crucial para alcançar o Departamento dos objetivos da Energy para energia neutra em carbono e eletrificação. Cui, codiretor da Battery500, diz que o metal de lítio oferece capacidade ainda maior do que as baterias de íon de lítio com ânodo de silício. 

Cui passou anos procurando uma ferramenta de imagem que pudesse oferecer informações sobre o metal de lítio e outros materiais de bateria. Como os feixes de elétrons dos microscópios eletrônicos destroem o metal de lítio, era impossível observar características importantes em escala atômica. Em particular, Cui queria examinar a interfase do eletrólito sólido do metal de lítio - uma camada de material que se forma entre o ânodo e o eletrólito líquido.

Quando fazia pós-doutorado em Berkeley, Cui aprendeu sobre microscopia crioeletrônica (crio-EM), uma tecnologia desenvolvida por biólogos estruturais para estudar biomoléculas como proteínas, mas a resolução espacial estava longe do que era necessário para investigar o metal lítio. Dez anos depois, ele percebeu que os avanços na tecnologia crio-EM poderiam revolucionar potencialmente a pesquisa de baterias. 

A disposição de Cui em considerar abordagens inovadoras e fora da disciplina valeu a pena. Seu laboratório levou apenas quatro meses para desenvolver uma técnica crio-EM para obter imagens de lítio metálico. Ao resfriar o material até a temperatura do nitrogênio líquido, Cui foi capaz de capturar as primeiras imagens do metal lítio e sua interfase eletrolítica sólida em escala atômica. Esta imagem de alta resolução esclarece a natureza dos dendritos de lítio, que causam curto-circuito nas baterias de metal de lítio, permitindo até que Cui meça a distância entre os átomos (um sétimo de nanômetro). 

“Ninguém podia acreditar no começo!” ri Cui, lembrando como foi difícil convencer os revisores Ciência que estas eram realmente imagens de metal de lítio. 

“Quando não consigo encontrar a solução, simplesmente deixo o problema parado. Então, pensarei nisso novamente uma semana ou meses depois. E isso pode durar décadas”, diz Cui. “Mas tenho um exemplo em que, uma década depois, finalmente descobri.”

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QUANDO NÃO CONSIGO ENCONTRAR AS SOLUÇÕES, DEIXO O PROBLEMA PARAR.

Então, pensarei nisso novamente uma semana ou meses depois. E isso pode durar décadas. Mas tenho um exemplo em que, uma década depois, finalmente descobri.”

Yi Cui

Um protótipo de bateria no laboratório de Cui.

Com os problemas mais desafiadores, Cui está disposto a perseverar e até gosta de fazê-lo – uma qualidade vital para um cientista que enfrenta as alterações climáticas. 

“É claro que muitas pessoas ficam assustadas porque o problema é tão grande que temem que não haja solução e ficam pessimistas”, reflete. “Estou otimista porque acredito que conseguiremos encontrar as soluções.”

Sustentando a Vida + Acelerando Soluções

Sustentando a Vida + Acelerando Soluções: O impacto

Por que é importante

Baterias seguras, baratas e com alta densidade energética são essenciais para a transição para energia limpa. A investigação de Cui poderá ajudar a combater as alterações climáticas, armazenando energia eólica e solar, reduzindo a dependência de combustíveis fósseis e cumprindo objectivos fundamentais de sustentabilidade.

Qual é o próximo

Além da pesquisa contínua em seu laboratório, Cui aproveitará sua experiência como empresário como o novo diretor do Acelerador de Sustentabilidade de Stanford, que visa impulsionar a tradução de soluções tecnológicas e políticas para o mundo real.

Por que Stanford

Antes de Cui concluir sua bolsa de pós-doutorado em Berkeley, ele recebeu cerca de uma dúzia de ofertas de emprego estável. Mesmo assim, ele sabia que queria ir para Stanford depois de sua primeira entrevista no campus. Ele reconheceu o ambiente único e colaborativo da escola e sua relação vital com a indústria.

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