И Цуй использует возможности нанонауки для выращивания чрезвычайно маленьких структур, которые играют огромную роль в переходе на чистую энергию.

В схватке между карликовым мышиным лемуром и гориллой интуиция подсказывает, что победит более крупный примат. Представление о том, что размер равен силе, также находит отклик в научной фантастике, отраженной в таких произведениях, как роман 1956 года. Сжимающийся человек и фильм 1989 Дорогая, я уменьшил детейОба исследуют, насколько ужасным стал бы мир, если бы люди вдруг стали меньше муравьев.

Нанонаука переворачивает это правило с ног на голову: по мере того, как материалы уменьшаются в размерах до наномасштаба, они могут фактически демонстрировать повышенную прочность. Насколько велик один нанометр? Одна миллиардная метра, или примерно на сколько вырастают ваши ногти за одну секунду. Толщина одного листа бумаги составляет ошеломляющие 100,000 XNUMX нанометров.

И Цуй, профессор материаловедения и инженерии, один из основателей Fortinet, посвятил почти два десятилетия раскрытию потенциала нанонауки, способной произвести революцию в ключевом аспекте перехода к чистой энергии: аккумуляторных батареях.

В то время как литий-ионные батареи обычно ассоциируются с портативными устройствами — сотовыми телефонами, кардиостимуляторами, — в мире декарбонизации растет спрос на энергоемкие батареи. Переход на электромобили и самолеты, имеющие решающее значение для снижения зависимости от ископаемого топлива, зависит от разработки мощных аккумуляторов. И поскольку все больше домохозяйств и предприятий используют солнечную энергию, растет потребность в больших энергоемких батареях, способных хранить избыточную энергию для использования в ночное время или во время неблагоприятных погодных условий.

В отличие от топливных элементов — еще одного лидера в переходе на чистую энергию — батареи предлагают преимущество использования существующей инфраструктуры электроснабжения. Но они также создают проблемы, а именно безопасность и стоимость. Любое жизнеспособное аккумуляторное решение должно выдерживать все возможные температурные условия и быть достаточно недорогим для широкого внедрения. 

Введите нанонауку. Физические и химические свойства материалов могут кардинально меняться на наноуровне, отчасти благодаря квантовой механике и большему соотношению площади поверхности к объему. Например, в то время как углерод на макроуровне может представлять собой, скажем, хрупкий графит вашего карандаша, углерод на наноуровне прочнее стали. Аналогичным образом, алюминий, который стабилен в объеме, становится горючим на наноуровне. Для И Цуя такие радикальные изменения на наноуровне открывают путь к революционным инновациям в аккумуляторных технологиях.

Большинство аккумуляторов состоят из положительно и отрицательно заряженных проводников — анода и катода соответственно — подвешенных в электролите. Когда ионы движутся между анодом и катодом, энергия разряжается, генерируя электроэнергию. 

Кремний уже давно привлекателен в качестве потенциального анода, поскольку он имеет большую плотность энергии и стоит намного дешевле, чем графитовые аноды, преимущественно используемые в литий-ионных батареях. Однако объем кремния увеличивается на 400 процентов, когда литий вставляется и извлекается, разрушая батарею. 

Творческое решение Кюи? Делаем материалы меньше. Он использовал процесс пар-жидкость-твердое тело (VLS) для выращивания кремниевых нанопроволок, который включает в себя воздействие на металлические наночастицы катализаторов газообразным кремнием при температуре 400-500 градусов по Цельсию, растворяя кремний в наночастицы до образования капель жидкости. 

«Вы продолжаете добавлять атомы кремния в эту каплю, и она перенасыщается и выпадает в осадок в форме твердой кремниевой нанопроволоки», — говорит Куи. «Это действительно красивый и элегантный механизм для изготовления этих проводов». 

Эти новые кремниевые нанопроволочные электроды могут выдерживать значительные нагрузки без быстрой деградации, которая происходит с кремнием в массе, что позволяет выполнять множество циклов зарядки и разрядки. Поскольку кремний в качестве анода хранит в 10 раз больше лития, чем графит, это позволяет почти вдвое увеличить количество энергии в полноразмерной батарее. 

Кюи опубликовал эти результаты в знаковой статье в 2008 году. Эта статья не только показала возможность создания литий-ионной батареи с анодом из чистого кремния, но и стала пионером в области нанонауки для хранения энергии.

В погоне за «Святым Граалем» хранения энергии

По словам Кюи, литий-металлические батареи являются «Святым Граалем» в области аккумуляторных исследований. Они являются основным направлением деятельности Консорциума Battery500, группы исследователей из национальных лабораторий, научных кругов и промышленности, целью которых является увеличение энергии батарей, увеличение количества циклов зарядки/разрядки и снижение стоимости батарей – все это имеет решающее значение для достижения целей Департамента. целей Energy в отношении углеродно-нейтральной энергетики и электрификации. Куи, содиректор Battery500, говорит, что металлический литий обеспечивает даже большую емкость, чем литий-ионные батареи с кремниевым анодом. 

Цюй потратил годы на поиски инструмента визуализации, который мог бы дать представление о металлическом литии и других материалах для батарей. Поскольку электронные лучи электронных микроскопов разрушают металлический литий, наблюдать ключевые особенности на атомном уровне было невозможно. В частности, Кюи хотел изучить границу раздела твердого электролита металлического лития — слой материала, который образуется между анодом и жидким электролитом.

Будучи постдокторантом в Беркли, Кюи узнал о криоэлектронной микроскопии (крио-ЭМ), технологии, разработанной структурными биологами для изучения биомолекул, таких как белки, но пространственное разрешение было далеко от того, что было необходимо для исследования металлического лития. Десять лет спустя он понял, что достижения в области крио-ЭМ-технологий потенциально могут произвести революцию в исследованиях аккумуляторов. 

Готовность Кюи рассмотреть нестандартные и недисциплинированные подходы принесла свои плоды. Его лаборатории потребовалось всего четыре месяца, чтобы разработать метод крио-ЭМ для получения изображений металлического лития. Охладив материал до температуры жидкого азота, Кюи смог сделать первые в истории изображения металлического лития и его границы с твердым электролитом на атомном уровне. Это изображение с высоким разрешением пролило свет на природу дендритов лития, которые вызывают короткое замыкание литий-металлических батарей, что даже позволило Кюи измерить расстояние между атомами (седьмую часть нанометра). 

«Никто не мог поверить в это вначале!» - смеется Цюй, вспоминая, как трудно было убедить рецензентов в необходимости Наука что это действительно были изображения металлического лития. 

«Когда я не могу найти решение, я просто оставляю проблему висеть там. Затем я подумаю об этом снова через неделю или месяц. И это может продолжаться десятилетиями», — говорит Цюй. «Но у меня есть пример, когда десять лет спустя я наконец понял это».

КОГДА Я НЕ МОГУ НАЙТИ РЕШЕНИЯ, Я ПРОСТО ОСТАВЛЯЮ ПРОБЛЕМУ ОСТАТЬСЯ ТАМ.

Затем я подумаю об этом снова через неделю или месяц. И это может продолжаться десятилетиями. Но у меня есть пример, когда десять лет спустя я наконец понял это».

И Цуй

Прототип батареи в лаборатории Кюи.

Решая самые сложные проблемы, Кюи готов продолжать и даже получает от этого удовольствие — жизненно важное качество для ученого, борющегося с изменением климата. 

«Конечно, многие люди испытывают страх, потому что проблема настолько огромна, что они беспокоятся, что решения нет, и становятся пессимистичными», — размышляет он. «Я настроен оптимистично, потому что верю, что мы сможем найти решения».

Поддержание жизни + ускорение решений

Поддержание жизни + ускорение решений: влияние

Почему это важно

Безопасные, недорогие батареи с высокой плотностью энергии необходимы для перехода к экологически чистой энергии. Исследования Куи могут помочь в борьбе с изменением климата за счет хранения энергии ветра и солнца, снижения зависимости от ископаемого топлива и достижения основных целей устойчивого развития.

Что дальше

В дополнение к текущим исследованиям в своей лаборатории, Кюи будет использовать свой опыт предпринимателя в качестве нового директора Стэнфордского акселератора устойчивого развития, целью которого является внедрение технологий и политических решений в реальный мир.

Почему Стэнфорд

Прежде чем Кюи завершил свою докторантуру в Беркли, он получил около дюжины предложений о постоянной работе. Тем не менее, после первого собеседования в кампусе он знал, что хочет поступить в Стэнфорд. Он признал уникальную среду сотрудничества школы и ее жизненно важную связь с промышленностью.

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
• ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• ПлатонЭСГ. Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
• ПлатонЗдоровье. Биотехнологии и клинические исследования. Доступ здесь.
• Источник: https://genesisnanotech.wordpress.com/2024/03/26/stanford-universitys-battery-super-power/