Yi Cui, temiz enerjiye geçişte büyük rol oynayan son derece küçük yapıları büyütmek için nanobilimin gücünden yararlanıyor

Cüce bir fare lemuru ile bir goril arasındaki güreş maçında, sezgiler daha büyük primatın kazanacağını gösteriyor. Boyutun güce eşit olduğu fikri, 1956 tarihli roman gibi eserlerde tasvir edilen bilim kurguda da yankı buluyor. Küçülen Adam ve 1989 filmi Tatlım, Çocuk çökmüşHer ikisi de, eğer insanlar bir anda karıncalardan küçük olsaydı dünyanın ne kadar korkunç olacağını keşfediyorlar.

Nanobilim bu geleneği tersine çeviriyor: Malzemelerin boyutu nano ölçeğe küçüldükçe, aslında daha fazla güç sergileyebiliyorlar. Bir nanometre ne kadar büyük? Metrenin milyarda biri veya kabaca tırnaklarınızın bir saniyede ne kadar uzadığı. Tek bir kağıdın kalınlığı 100,000 nanometre gibi şaşırtıcı bir değere sahiptir.

Fortinet'in Kurucuları Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Profesörü Yi Cui, yaklaşık yirmi yılını nanobilimin temiz enerjiye geçişin önemli bir yönü olan pil depolamada devrim yaratma potansiyelini açığa çıkarmaya adadı.

Lityum-iyon piller genellikle cep telefonları, kalp pilleri gibi taşınabilir cihazlarla ilişkilendirilirken, karbondan arınma dünyasında enerji açısından yoğun pillere olan talep artıyor. Fosil yakıt bağımlılığını azaltmak için kritik önem taşıyan elektrikli otomobillere ve uçaklara geçiş, güçlü pillerin geliştirilmesine bağlı. Daha fazla ev ve işletme güneş enerjisini benimsedikçe, gece boyunca veya olumsuz hava koşullarında kullanılmak üzere fazla gücü depolayabilen büyük, enerji açısından yoğun pillere olan ihtiyaç da artıyor.

Temiz enerji geçişinde bir diğer öncü olan yakıt hücrelerinin aksine, piller mevcut elektrik altyapısından yararlanma avantajı sunuyor. Ancak aynı zamanda güvenlik ve maliyet gibi zorlukları da beraberinde getiriyorlar. Uygulanabilir herhangi bir pil çözümü, olası tüm sıcaklık koşullarına dayanmalı ve yaygın olarak benimsenecek kadar ucuz olmalıdır. 

Nanobilime girin. Malzemelerin fiziksel ve kimyasal özellikleri, kısmen kuantum mekaniği ve daha büyük yüzey alanı/hacim oranı nedeniyle nano ölçekte önemli ölçüde değişebilir. Örneğin, makro ölçekteki karbon, örneğin kaleminizdeki kopabilir grafiti oluşturabilirken, nano ölçekteki karbon, çelikten daha güçlüdür. Aynı şekilde kütle halinde stabil olan alüminyum nano ölçekte yanıcı hale gelir. Yi Cui için nano ölçekteki bu tür radikal değişiklikler, pil teknolojisinde çığır açan yeniliklerin yolunu açıyor.

Pillerin çoğu, bir elektrolit içinde asılı duran pozitif ve negatif yüklü iletkenlerden (sırasıyla bir anot ve katot) oluşur. İyonlar anot ve katot arasında hareket ettikçe enerji boşalır ve güç üretilir. 

Silikon, potansiyel bir anot olarak uzun süredir ilgi çekicidir çünkü daha fazla enerji yoğunluğuna sahiptir ve ağırlıklı olarak lityum iyon pillerde kullanılan grafit anotlardan çok daha düşük maliyetlidir. Bununla birlikte, lityum takılıp çıkarıldığında silikonun hacmi yüzde 400 artarak bataryaya zarar veriyor. 

Cui'nin yaratıcı çözümü? Malzemelerin küçültülmesi. Silikon nanotelleri büyütmek için, metal nanopartikül katalizörlerinin 400-500 santigrat derece arasındaki sıcaklıklarda silikon gazına maruz bırakılmasını ve silikonun sıvı damlacıklar oluşana kadar nanopartiküller halinde çözülmesini içeren bir buhar-sıvı-katı (VLS) işlemi kullandı. 

Cui, "Bu damlacığa silikon atomları eklemeye devam ederseniz aşırı doygunluğa ulaşacak ve katı bir silikon nanotel şeklinde çökelecektir" diyor. "Bu telleri yapmak gerçekten çok güzel ve zarif bir mekanizma." 

Bu yeni silikon nanotel elektrotları, silikonun yığın halinde hızlı bir şekilde bozulması olmadan, birçok şarj ve deşarj döngüsüne izin vererek önemli ölçüde zorlanmayı kaldırabilir. Silikon, anot olarak grafitten 10 kat daha fazla lityum depoladığından, bu, tam boyutlu bir pildeki enerji miktarının neredeyse iki katına çıkmasına olanak tanır. 

Cui, bu bulgularını 2008 yılında çığır açan bir makalede yayınladı. Makale, saf silikon anotlu bir lityum iyon pil oluşturmanın mümkün olduğunu göstermenin yanı sıra, enerji depolamaya yönelik nanobilim alanına da etkili bir şekilde öncülük etti.

Enerji depolamanın “kutsal kâsesinin” peşinde

Cui'ye göre lityum metal piller, pil araştırmalarının "kutsal kasesidir". Pillerin enerjisini artırmayı, daha fazla şarj/deşarj döngüsüne izin vermeyi ve pil maliyetini düşürmeyi amaçlayan ulusal laboratuvarlardan, akademiden ve endüstriden bir grup araştırmacıdan oluşan Battery500 Konsorsiyumu'nun ana odak noktası bunlardır; bunların hepsi Departmanın hedeflerine ulaşması için çok önemlidir. Energy'nin karbon nötr enerji ve elektrifikasyon hedeflerinin listesi. Battery500'ün eş yöneticisi Cui, lityum metalin, silikon anotlu lityum iyon pillerden bile daha fazla kapasite sunduğunu söylüyor. 

Cui, lityum metali ve diğer pil malzemeleri hakkında fikir verebilecek bir görüntüleme aracı aramak için yıllarını harcadı. Elektron mikroskoplarından gelen elektron ışınları lityum metalini yok ettiğinden, temel özellikleri atomik ölçekte gözlemlemek imkansızdı. Cui özellikle lityum metalin katı elektrolit ara fazını (anot ile sıvı elektrolit arasında oluşan bir malzeme tabakası) incelemek istedi.

Cui, Berkeley'de doktora sonrası araştırmacı iken, yapısal biyologlar tarafından proteinler gibi biyomolekülleri incelemek için geliştirilen bir teknoloji olan kriyo-elektron mikroskobu (kriyo-EM) hakkında bilgi sahibi oldu, ancak uzaysal çözünürlük, lityum metalini araştırmak için gerekenden çok uzaktı. On yıl sonra, kriyo-EM teknolojisindeki ilerlemelerin pil araştırmalarında potansiyel olarak devrim yaratabileceğini fark etti. 

Cui'nin alışılmışın dışında ve disiplin dışı yaklaşımları dikkate alma isteği meyvesini verdi. Lityum metalini görüntülemek için bir kriyo-EM tekniği geliştirmek laboratuvarının yalnızca dört ayını aldı. Cui, malzemeyi sıvı nitrojenin sıcaklığına kadar soğutarak, lityum metalinin ve onun katı elektrolit ara fazının atomik ölçekte ilk görüntülerini yakalamayı başardı. Bu yüksek çözünürlüklü görüntüleme, lityum metal pillerin kısa devre yapmasına neden olan ve hatta Cui'nin atomlar arasındaki mesafeyi (nanometrenin yedide biri) ölçmesine olanak tanıyan lityum dendritlerin doğasına ışık tutuyor. 

“Başlangıçta kimse buna inanamadı!” gülüyor Cui, hakemleri ikna etmenin ne kadar zor olduğunu hatırlayarak Bilim bunların gerçekten lityum metalinin görüntüleri olduğunu söyledi. 

“Çözüm bulamadığım zaman sorunun orada kalmasına izin veriyorum. Bir hafta ya da ay sonra tekrar düşüneceğim. Ve bu onlarca yıl sürebilir" diyor Cui. "Fakat on yıl sonra nihayet bunu çözdüğüm bir örneğim var."

"

ÇÖZÜM BULAMADIĞIMDA, SORUNUN ORADA ASILMASINA İZİN VERİRİM.

Bir hafta ya da ay sonra tekrar düşüneceğim. Ve bu onlarca yıl devam edebilir. Ancak on yıl sonra nihayet bunu çözebildiğim bir örneğim var.”

Yi Cui

Cui'nin laboratuvarındaki bir pil prototipi.

Cui, en zorlu sorunlara rağmen sebat etmeye istekli ve hatta bunu yapmaktan keyif alıyor; bu, iklim değişikliğiyle yüzleşen bir bilim insanı için hayati bir nitelik. 

"Elbette pek çok insan korkuyor çünkü sorun o kadar büyük ki, çözüm olmayacağından endişeleniyor ve karamsarlaşıyorlar" diye düşünüyor. “İyimserim çünkü çözümleri bulabileceğimize inanıyorum.”

Hayatı Sürdürmek + Hızlandıran Çözümler

Hayatı Sürdürmek + Hızlandırıcı Çözümler: Etki

Neden önemli

Temiz enerjiye geçiş için yüksek enerji yoğunluğuna sahip, güvenli, ucuz piller şarttır. Cui'nin araştırması, rüzgar ve güneş enerjisini depolayarak, fosil yakıtlara olan bağımlılığı azaltarak ve önemli sürdürülebilirlik hedeflerini karşılayarak iklim değişikliğiyle mücadeleye yardımcı olabilir.

Sıradaki ne

Laboratuvarında devam eden araştırmalarına ek olarak Cui, teknoloji ve politika çözümlerinin gerçek dünyaya çevrilmesini amaçlayan Stanford Sürdürülebilirlik Hızlandırıcısının yeni yöneticisi olarak girişimci olarak deneyiminden yararlanacak.

Neden Stanford

Cui, Berkeley'de doktora sonrası bursunu tamamlamadan önce, yaklaşık bir düzine kadrolu iş teklifi almıştı. Yine de kampüsteki ilk görüşmesinden sonra Stanford'a gitmek istediğini biliyordu. Okulun benzersiz, işbirlikçi ortamını ve endüstriyle hayati ilişkisini fark etti.

• SEO Destekli İçerik ve Halkla İlişkiler Dağıtımı. Bugün Gücünüzü Artırın.
• PlatoData.Network Dikey Üretken Yapay Zeka. Kendine güç ver. Buradan Erişin.
• PlatoAiStream. Web3 Zekası. Bilgi Genişletildi. Buradan Erişin.
• PlatoESG. karbon, temiz teknoloji, Enerji, Çevre, Güneş, Atık Yönetimi. Buradan Erişin.
• PlatoSağlık. Biyoteknoloji ve Klinik Araştırmalar Zekası. Buradan Erişin.
• Kaynak: https://genesisnanotech.wordpress.com/2024/03/26/stanford-universitys-battery-super-power/