Yi Cui izkorišča moč nanoznanosti za rast izjemno majhnih struktur, ki igrajo veliko vlogo pri prehodu na čisto energijo

V rokoborbi med pritlikavim mišjim lemurjem in gorilo intuicija kaže, da bo zmagal večji primat. Ideja, da je velikost enaka moči, najde odmev tudi v znanstveni fantastiki, ki je prikazana v delih, kot je roman iz leta 1956 Človek, ki se krči in film 1989 Draga, skrčila sem otroke, oba raziskujeta, kako grozljiv bi bil svet, če bi bili ljudje nenadoma manjši od mravelj.

Nanoznanost obrne to konvencijo na glavo: ko se materiali zmanjšajo na nanometrsko raven, lahko dejansko pokažejo večjo trdnost. Kako velik je en nanometer? Ena milijardka metra ali približno toliko, koliko vam zrastejo nohti v eni sekundi. Debelina enega lista papirja meri osupljivih 100,000 nanometrov.

Yi Cui, ustanovitelj Fortinet, profesor znanosti o materialih in inženiringa, je skoraj dve desetletji posvetil sprostitvi potenciala nanoznanosti za revolucijo osrednjega vidika prehoda na čisto energijo: shranjevanje baterij.

Medtem ko so litij-ionske baterije običajno povezane s prenosnimi napravami – mobilnimi telefoni, srčnimi spodbujevalniki – povpraševanje po energijsko gostih baterijah v svetu dekarbonizacije narašča. Prehod na električne avtomobile in letala, ključnega pomena za zmanjšanje odvisnosti od fosilnih goriv, ​​je odvisen od razvoja zmogljivih baterij. In ko vse več gospodinjstev in podjetij uporablja sončno energijo, se povečuje potreba po velikih, energijsko gostih baterijah, ki lahko shranijo odvečno energijo za uporabo čez noč ali v neugodnih vremenskih razmerah.

Za razliko od gorivnih celic – še enega vodilnega v prehodu na čisto energijo – baterije ponujajo prednost izkoriščanja obstoječe električne infrastrukture. Predstavljajo pa tudi izzive, in sicer varnost in stroške. Vsaka izvedljiva baterijska rešitev mora prenesti vse možne temperaturne pogoje in biti dovolj poceni za široko uporabo. 

Vstopite v nanoznanost. Fizikalne in kemijske lastnosti materialov se lahko močno spremenijo na nanometru, deloma zaradi kvantne mehanike in večjega razmerja med površino in prostornino. Na primer, medtem ko bi lahko ogljik na makroravni predstavljal, recimo, grafit, ki ga je mogoče zaskočiti v vašem svinčniku, je ogljik na nanorazini močnejši od jekla. Podobno postane aluminij, ki je v razsutem stanju stabilen, vnetljiv na nanometru. Za Yi Cuija takšne radikalne spremembe na nanometru odpirajo pot za prelomne inovacije v baterijski tehnologiji.

Večina baterij je sestavljena iz pozitivno in negativno nabitih prevodnikov – anode oziroma katode – obešenih v elektrolitu. Ko se ioni premikajo med anodo in katodo, se energija razelektri, kar ustvarja moč. 

Silicij je že dolgo privlačen kot potencialna anoda, ker ima večjo energijsko gostoto in stane veliko manj kot grafitne anode, ki se pretežno uporabljajo v litij-ionskih baterijah. Vendar pa se prostornina silicija poveča za 400 odstotkov, ko se vstavi in ​​izvleče litij, kar uniči baterijo. 

Cuijeva kreativna rešitev? Zmanjšanje materialov. Za gojenje silicijevih nanožic je uporabil postopek parno-tekoče-trdno (VLS), ki vključuje izpostavljanje katalizatorjev kovinskih nanodelcev silicijevemu plinu pri temperaturah od 400 do 500 stopinj Celzija, pri čemer se silicij raztopi v nanodelce, dokler ne nastanejo kapljice tekočine. 

»Tej kapljici nenehno dodajate atome silicija in ta se bo super nasičila in izločila v obliki trdne silicijeve nanožice,« pravi Cui. "To je res lep, eleganten mehanizem za izdelavo teh žic." 

Te nove elektrode iz silicijevih nanožic bi lahko prenesle znatne obremenitve brez hitre razgradnje, ki se pojavi pri siliciju v razsutem stanju, kar bi omogočilo številne cikle polnjenja in praznjenja. Ker silicij kot anoda shrani 10-krat več litija kot grafit, to omogoča skoraj dvojno količino energije v bateriji polne velikosti. 

Cui je te ugotovitve objavil v prelomnem dokumentu leta 2008. Poleg tega, da je pokazal, da je mogoče ustvariti litij-ionsko baterijo z anodo iz čistega silicija, je bil članek dejansko pionir na področju nanoznanosti za shranjevanje energije.

Lovljenje "svetega grala" shranjevanja energije

Po Cuiju so litijeve kovinske baterije "sveti gral" raziskav baterij. Na njih se osredotoča konzorcij Battery500, skupina raziskovalcev iz nacionalnih laboratorijev, akademskih krogov in industrije, katerih cilj je povečati energijo baterij, omogočiti več ciklov polnjenja/praznjenja in zmanjšati stroške baterij – kar je ključnega pomena za doseganje Oddelka ciljev družbe Energy za ogljično nevtralno energijo in elektrifikacijo. Cui, so-direktor Battery500, pravi, da kovinski litij ponuja še večjo zmogljivost kot litij-ionske baterije s silicijevo anodo. 

Cui je leta iskal orodje za slikanje, ki bi lahko ponudilo vpogled v kovinski litij in druge materiale baterij. Ker elektronski žarki iz elektronskih mikroskopov uničijo kovinski litij, je bilo opazovanje ključnih značilnosti na atomski lestvici nemogoče. Cui je še posebej želel preučiti medfazo trdnega elektrolita litijeve kovine - plast materiala, ki se tvori med anodo in tekočim elektrolitom.

Ko je bil podoktorski znanstvenik na Berkeleyju, je Cui spoznal krioelektronsko mikroskopijo (cryo-EM), tehnologijo, ki so jo razvili strukturni biologi za preučevanje biomolekul, kot so proteini, vendar je bila prostorska ločljivost daleč od tiste, ki je bila potrebna za raziskovanje kovinskega litija. Deset let pozneje je spoznal, da bi lahko napredek v tehnologiji cryo-EM potencialno spremenil raziskave baterij. 

Cuijeva pripravljenost, da razmisli o pristopih izven okvirov in izven discipline, se je izplačala. Njegov laboratorij je potreboval le štiri mesece, da je razvil tehniko krio-EM za slikanje litijeve kovine. Z ohlajanjem materiala na temperaturo tekočega dušika je Cui uspel zajeti prve slike kovinskega litija in njegove medfaze trdnega elektrolita na atomski lestvici. Ta slika z visoko ločljivostjo je osvetlila naravo litijevih dendritov, ki povzročajo kratek stik v litijevih kovinskih baterijah, kar Cuiju celo omogoča merjenje razdalje med atomi (sedmina nanometra). 

"Na začetku nihče ni mogel verjeti!" se zasmeje Cui in se spomni, kako težko je bilo prepričati strokovne ocenjevalce za Znanost da so bile to res slike kovinskega litija. 

»Ko ne najdem rešitve, pustim, da težava ostane tam. Potem bom o tem spet razmišljal čez teden ali mesece. In to lahko traja desetletja,« pravi Cui. "Imam pa primer, ko sem desetletje pozneje končno ugotovil."

"

KO NE NAJDEM REŠITVE, PUSTIM, DA TEŽAVA LE MIŠI.

Potem bom o tem spet razmišljal čez teden ali mesece. In to lahko traja desetletja. Vendar imam primer, ko sem desetletje pozneje končno ugotovil.«

Yi Cui

Prototip baterije v Cuijevem laboratoriju.

Pri najzahtevnejših težavah je Cui pripravljen vztrajati in pri tem celo uživa – bistvena kakovost za znanstvenika, ki se sooča s podnebnimi spremembami. 

»Seveda se veliko ljudi boji, ker je problem tako velik, da jih skrbi, da ni rešitve, in postanejo pesimistični,« razmišlja. "Sem optimist, ker verjamem, da bomo lahko našli rešitve."

Ohranjanje življenja + pospešitvene rešitve

Ohranjanje življenja + rešitve za pospeševanje: vpliv

Zakaj je pomembno

Varne, poceni baterije z visoko energijsko gostoto so bistvenega pomena za prehod na čisto energijo. Cuijeva raziskava bi lahko pomagala v boju proti podnebnim spremembam s shranjevanjem vetrne in sončne energije, zmanjšanjem odvisnosti od fosilnih goriv in doseganjem ključnih ciljev trajnosti.

Kaj je naslednje

Poleg nenehnih raziskav v svojem laboratoriju bo Cui izkoristil svoje izkušnje kot podjetnik kot novi direktor Stanfordovega pospeševalnika trajnosti, katerega cilj je spodbuditi prenos tehnologije in političnih rešitev v resnični svet.

Zakaj Stanford

Preden je Cui končal svojo podoktorsko štipendijo na Berkeleyju, je prejel približno ducat ponudb za stalno zaposlitev. Kljub temu je vedel, da želi iti na Stanford po prvem intervjuju v kampusu. Prepoznal je edinstveno, sodelovalno okolje šole in njen bistven odnos do industrije.

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Opolnomočite se. Dostopite tukaj.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• PlatoESG. Ogljik, CleanTech, Energija, Okolje, sončna energija, Ravnanje z odpadki. Dostopite tukaj.
• PlatoHealth. Obveščanje o biotehnologiji in kliničnih preskušanjih. Dostopite tukaj.
• vir: https://genesisnanotech.wordpress.com/2024/03/26/stanford-universitys-battery-super-power/