Yi Cui utnyttjar nanovetenskapens kraft för att odla extremt små strukturer – som spelar en stor roll i övergången till ren energi

I en brottningsmatch mellan en pygmémuslemur och en gorilla, tyder intuitionen på att den större primaten skulle vinna. Uppfattningen att storlek är lika med styrka finner också resonans i science fiction, avbildad i verk som 1956 års roman Den krympande mannen och 1989 filmen Älskling, jag krympte barnen, båda undersöker hur skrämmande världen skulle vara om människor plötsligt var mindre än myror.

Nanovetenskap vänder på denna konvention: När material minskar i storlek till nanoskalan kan de faktiskt uppvisa ökad styrka. Hur stor är en nanometer? En miljarddels meter, eller ungefär hur mycket dina naglar växer på en sekund. Tjockleken på ett enda pappersark mäter häpnadsväckande 100,000 XNUMX nanometer.

Yi Cui, Fortinets grundare professor i materialvetenskap och teknik, har ägnat nästan två decennier åt att låsa upp nanovetenskapens potential att revolutionera en central aspekt av övergången till ren energi: batterilagring.

Medan litiumjonbatterier vanligtvis förknippas med bärbara enheter – mobiltelefoner, pacemakers – ökar efterfrågan på energitäta batterier i en värld av koldioxidutsläpp. Övergången till elbilar och flygplan, avgörande för att minska beroendet av fossila bränslen, är beroende av att utveckla kraftfulla batterier. Och i takt med att fler hushåll och företag använder solenergi, finns det ett eskalerande behov av stora, energitäta batterier som kan lagra överskottsström för användning över natten eller under ogynnsamma väderförhållanden.

Till skillnad från bränsleceller – en annan föregångare i övergången till ren energi – erbjuder batterier fördelen att utnyttja den befintliga elinfrastrukturen. Men de innebär också utmaningar, nämligen säkerhet och kostnad. Alla livskraftiga batterilösningar måste klara alla möjliga temperaturförhållanden och vara tillräckligt billig för utbredd användning. 

Gå in i nanovetenskap. Materialens fysikaliska och kemiska egenskaper kan förändras dramatiskt på nanoskala, delvis drivna av kvantmekanik och ett större förhållande mellan ytarea och volym. Till exempel, medan kol på makroskala kan utgöra, säg, den snäppbara grafiten i din penna, är kol på nanoskala starkare än stål. Likaså blir aluminium, som är stabilt i bulk, brännbart på nanoskala. För Yi Cui öppnar sådana radikala förändringar på nanoskala en väg för banbrytande innovation inom batteriteknologi.

De flesta batterier består av positivt och negativt laddade ledare - en anod respektive katod - upphängda i en elektrolyt. När joner rör sig mellan anoden och katoden urladdas energin och genererar kraft. 

Kisel har länge varit attraktiv som en potentiell anod eftersom den har större energitäthet och kostar mycket mindre än grafitanoderna som främst används i litiumjonbatterier. Men kiselvolymen ökar med 400 procent när litium sätts in och utvinns, vilket förstör batteriet. 

Cuis kreativa lösning? Att göra materialen mindre. Han använde en vapor-liquid-solid-process (VLS) för att odla kisel-nanotrådar, vilket innebär att utsätta metall-nanopartikelkatalysatorer för kiselgas vid temperaturer från 400-500 grader Celsius, lösa upp kisel i nanopartiklar tills vätskedroppar bildas. 

"Du fortsätter att lägga till kiselatomer till den här droppen, och den kommer att övermättas och fällas ut i en fast kisel nanotrådform," säger Cui. "Det är en riktigt vacker, elegant mekanism för att göra dessa kablar." 

Dessa nya nanotrådselektroder av kisel kan ta betydande påfrestningar utan den snabba nedbrytningen som sker till kisel i bulk, vilket möjliggör många cykler av laddning och urladdning. Eftersom kisel lagrar 10 gånger mer litium än grafit som en anod, tillåter detta nästan dubbelt så mycket energi i ett fullstort batteri. 

Cui publicerade dessa fynd i en landmärkestidning 2008. Förutom att visa att det var möjligt att skapa ett litiumjonbatteri med en ren kiselanod, var papperet effektivt pionjär inom nanovetenskap för energilagring.

Jagar energilagringens "heliga graal".

Enligt Cui är litiummetallbatterier den "heliga gralen" för batteriforskning. De är det primära fokus för Battery500 Consortium, en grupp forskare från nationella laboratorier, akademi och industri som syftar till att öka energin i batterier, möjliggöra fler laddnings-/urladdningscykler och minska batterikostnaderna – allt avgörande för att uppnå avdelningen av Energys mål för koldioxidneutral energi och elektrifiering. Cui, meddirektör för Battery500, säger att litiummetall erbjuder ännu större kapacitet än litiumjonbatterier med en silikonanod. 

Cui ägnade år åt att leta efter ett bildverktyg som kunde ge insikt i litiummetall och andra batterimaterial. Eftersom elektronstrålar från elektronmikroskop förstör litiummetall, var det omöjligt att observera nyckelegenskaper på atomär skala. Speciellt ville Cui undersöka litiummetallens fasta elektrolytfas - ett lager av material som bildas mellan anoden och den flytande elektrolyten.

När han var postdoktor vid Berkeley lärde sig Cui om kryoelektronmikroskopi (cryo-EM), en teknik utvecklad av strukturbiologer för att studera biomolekyler som proteiner, men den rumsliga upplösningen var långt ifrån vad som behövdes för att undersöka litiummetall. Tio år senare insåg han att framsteg inom kryo-EM-teknik potentiellt skulle kunna revolutionera batteriforskningen. 

Cuis vilja att överväga metoder utanför boxen och utanför disciplinen gav resultat. Det tog hans labb bara fyra månader att utveckla en kryo-EM-teknik för att avbilda litiummetall. Genom att kyla ner materialet till temperaturen för flytande kväve kunde Cui fånga de första bilderna någonsin av litiummetall och dess fasta elektrolytfas i atomär skala. Denna högupplösta bildbehandling kastade ljus över naturen hos litiumdendriter, som gör att litiummetallbatterier kortsluter, vilket till och med tillåter Cui att mäta avståndet mellan atomerna (en sjundedels nanometer). 

"Ingen kunde tro det i början!" skrattar Cui och minns hur svårt det var att övertyga referentbedömare för Vetenskap att det här verkligen var bilder av litiummetall. 

”När jag inte kan hitta lösningen låter jag bara problemet hänga där. Sedan ska jag tänka på det igen en vecka eller månader senare. Och det här kan pågå i årtionden”, säger Cui. "Men jag har ett exempel där jag ett decennium senare äntligen kom på det."

"

NÄR JAG INTE HITAR LÖSNINGARNA LÄTTER JAG BARA PROBLEMET HÄNGA DÄR.

Sedan ska jag tänka på det igen en vecka eller månader senare. Och detta kan fortsätta i årtionden. Men jag har ett exempel där jag, ett decennium senare, äntligen kom på det."

Yi Cui

En batteriprototyp i Cuis labb.

Med de mest utmanande problemen är Cui villig att hålla ut och tycker till och med om att göra det - en viktig egenskap för en forskare som konfronterar klimatförändringar. 

"Självklart känner många människor rädda eftersom problemet är så stort att de oroar sig för att det inte finns någon lösning och de blir pessimistiska", reflekterar han. "Jag är optimistisk eftersom jag tror att vi kommer att kunna hitta lösningarna."

Upprätthålla livet + Accelererande lösningar

Sustaining Life + Accelerating Solutions: Effekten

Varför det spelar roll

Säkra, billiga batterier med hög energitäthet är avgörande för att gå över till ren energi. Cuis forskning kan hjälpa till att bekämpa klimatförändringarna genom att lagra vind- och solenergi, minska beroendet av fossila bränslen och uppfylla centrala hållbarhetsmål.

Vad kommer härnäst

Utöver sitt labbs pågående forskning kommer Cui att dra nytta av sin erfarenhet som entreprenör som ny chef för Stanfords Sustainability Accelerator, som syftar till att driva översättningen av teknik och policylösningar till den verkliga världen.

Varför Stanford

Innan Cui avslutade sitt postdoktorala stipendium vid Berkeley hade han fått ett dussintal anställningserbjudanden. Ändå visste han att han ville åka till Stanford efter sin första intervju på campus. Han erkände skolans unika, samarbetsmiljö och dess viktiga relation till industrin.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
• PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
• Källa: https://genesisnanotech.wordpress.com/2024/03/26/stanford-universitys-battery-super-power/