І Цуй використовує потужність нанонауки для вирощування надзвичайно малих структур, які відіграють величезну роль у переході на чисту енергію

У боротьбі між мишачим лемуром і горилою інтуїція підказує, що переможе більший примат. Думка про те, що розмір дорівнює силі, також знаходить резонанс у науковій фантастиці, зображеній у таких творах, як роман 1956 року. Людина, що зменшується і фільм 1989 Люба, я зменшив дітей, обидва досліджують, яким жахливим був би світ, якби люди раптом стали меншими за мурах.

Нанонаука перевертає цю умову з ніг на голову: оскільки матеріали зменшуються в розмірі до нанорозміру, вони можуть фактично демонструвати підвищену міцність. Наскільки великий один нанометр? Одна мільярдна частина метра, або приблизно скільки нігті відростають за одну секунду. Товщина одного аркуша паперу становить приголомшливі 100,000 XNUMX нанометрів.

Ї Цуй, засновник Fortinet, професор матеріалознавства та інженерії, присвятив майже два десятиліття розкриттю потенціалу нанонауки для революції в ключовому аспекті переходу на чисту енергію: накопиченні акумуляторів.

Хоча літій-іонні батареї зазвичай асоціюються з портативними пристроями (стільниковими телефонами, кардіостимуляторами), попит на енергоємні батареї зростає у світі декарбонізації. Перехід до електромобілів і літаків, що має вирішальне значення для зменшення залежності від викопного палива, залежить від розробки потужних акумуляторів. І оскільки все більше домогосподарств і підприємств використовують сонячну енергію, зростає потреба у великих енергоємних батареях, здатних накопичувати надлишок енергії для використання протягом ночі або під час несприятливих погодних умов.

На відміну від паливних елементів — ще одного лідера переходу на чисту енергію — батареї пропонують перевагу використання існуючої електроенергетичної інфраструктури. Але вони також викликають проблеми, а саме безпеку та вартість. Будь-яке життєздатне рішення для батареї має витримувати всі можливі температурні умови та бути досить недорогим для широкого впровадження. 

Введіть нанонауку. Фізичні та хімічні властивості матеріалів можуть різко змінюватися на нанорозмірі, частково зумовлюючись квантовою механікою та більшим співвідношенням площі поверхні та об’єму. Наприклад, у той час як вуглець на макромасштабі може становити, скажімо, графіт, що замикається у вашому олівці, вуглець на наномасштабі міцніший за сталь. Подібним чином алюміній, який є стабільним в масі, стає горючим у нанорозмірі. Для І Цуя такі радикальні зміни на нанорозмірі відкривають шлях для новаторських інновацій у технології акумуляторів.

Більшість акумуляторів складаються з позитивно та негативно заряджених провідників — анода та катода відповідно — зважених в електроліті. Коли іони рухаються між анодом і катодом, енергія розряджається, генеруючи енергію. 

Кремній вже давно є привабливим як потенційний анод, оскільки він має більшу щільність енергії та коштує набагато дешевше, ніж графітові аноди, які переважно використовуються в літій-іонних батареях. Однак об’єм кремнію збільшується на 400 відсотків, коли літій вставляється та витягується, що руйнує батарею. 

Творче рішення Кюї? Зменшення матеріалів. Для вирощування кремнієвих нанодротів він використовував процес «пар-рідина-тверда речовина» (VLS), який передбачає вплив на каталізатори металевих наночастинок газоподібного кремнію при температурах 400-500 градусів за Цельсієм, розчинення кремнію в наночастинки до утворення крапель рідини. 

«Ви продовжуєте додавати атоми кремнію до цієї краплі, і вона перенасичується та випадає в осад у формі суцільного кремнієвого нанодроту», — каже Цуї. «Це дійсно красивий, елегантний механізм для виготовлення цих дротів». 

Ці нові електроди з кремнієвих нанодротів можуть витримувати значні навантаження без швидкої деградації, яка відбувається з масою кремнію, дозволяючи багато циклів заряджання та розряджання. Оскільки кремній зберігає в 10 разів більше літію, ніж графіт як анод, це дозволяє майже вдвічі збільшити кількість енергії в повнорозмірному акумуляторі. 

У 2008 році Цуї опублікував ці знахідки в знаковій статті. Окрім демонстрації можливості створення літій-іонної батареї з чистим кремнієвим анодом, стаття стала піонером у галузі нанонауки для зберігання енергії.

Гонитва за «святим Граалем» зберігання енергії

За словами Цуї, металеві літієві батареї є «святим Граалем» досліджень батарей. Вони є основною метою Консорціуму Battery500, групи дослідників із національних лабораторій, наукових кіл та промисловості, яка прагне збільшити енергію акумуляторів, дозволити більше циклів заряджання/розряджання та зменшити вартість акумуляторів — усе це має вирішальне значення для досягнення Департаменту цілей Energy для енергетики та електрифікації з нейтральним викидом вуглецю. Куй, співдиректор Battery500, каже, що металевий літій пропонує навіть більшу ємність, ніж літій-іонні батареї з кремнієвим анодом. 

Цуї витратив роки на пошуки інструменту для обробки зображень, який міг би запропонувати уявлення про металевий літій та інші матеріали акумуляторів. Оскільки електронні промені від електронних мікроскопів руйнують металевий літій, спостерігати ключові особливості в атомному масштабі було неможливо. Зокрема, Цуї хотів вивчити міжфазу твердого електроліту металевого літію — шар матеріалу, який утворюється між анодом і рідким електролітом.

Коли він був доктором наук у Берклі, Цуї дізнався про кріоелектронну мікроскопію (кріо-ЕМ), технологію, розроблену структурними біологами для вивчення біомолекул, таких як білки, але просторова роздільна здатність була далекою від необхідної для дослідження металевого літію. Десять років потому він зрозумів, що прогрес у кріо-ЕМ технології потенційно може революціонізувати дослідження батарей. 

Готовність Цуї розглянути нестандартні підходи та підходи поза межами дисципліни окупилася. Його лабораторії знадобилося лише чотири місяці, щоб розробити техніку кріо-ЕМ для зображення металевого літію. Охолодивши матеріал до температури рідкого азоту, Цуї зміг зробити перші в історії зображення металевого літію та його міжфазного твердого електроліту в атомному масштабі. Це зображення з високою роздільною здатністю проливає світло на природу літієвих дендритів, які викликають коротке замикання металевих літієвих батарей, навіть дозволяючи Cui виміряти відстань між атомами (сьому нанометра). 

«Спочатку ніхто не міг у це повірити!» сміється Кюї, згадуючи, як важко було переконати рецензентів наука що це дійсно зображення металевого літію. 

«Коли я не можу знайти рішення, я просто залишаю проблему на місці. Потім я знову подумаю про це через тиждень або місяці. І це може тривати десятиліттями», — каже Цуї. «Але у мене є приклад, коли через десять років я нарешті це зрозумів».

"

КОЛИ Я НЕ МОЖУ ЗНАЙТИ РІШЕННЯ, Я ПРОСТО ДОЗВОЛЯЮ ПРОБЛЕМІ ВИСІТИ.

Потім я знову подумаю про це через тиждень або місяці. І так може тривати десятиліттями. Але у мене є приклад, коли через десять років я нарешті це зрозумів».

І Цуй

Прототип акумулятора в лабораторії Кюї.

З найскладнішими проблемами Цуї готовий наполегливо і навіть із задоволенням це робить — життєво важлива якість для вченого, який стикається зі зміною клімату. 

«Звичайно, багато людей відчувають страх, оскільки проблема настільки велика, що вони хвилюються, що її вирішення не існує, і стають песимістами», — розмірковує він. «Я налаштований оптимістично, тому що вірю, що ми зможемо знайти рішення».

Підтримка життя + прискорювальні рішення

Підтримка життя + прискорення рішень: вплив

Чому це важливо?

Безпечні недорогі батареї з високою щільністю енергії необхідні для переходу на чисту енергію. Дослідження Цуї можуть допомогти в боротьбі зі зміною клімату шляхом зберігання вітрової та сонячної енергії, зменшення залежності від викопного палива та досягнення основних цілей сталого розвитку.

Що далі

Окрім поточних досліджень у своїй лабораторії, Цуї використовуватиме свій досвід підприємця як новий директор Стенфордського прискорювача сталого розвитку, який має на меті сприяти перекладу технологій і політичних рішень у реальний світ.

Чому Стенфорд

До того, як Цуї закінчив свою докторську стипендію в Берклі, він отримав близько дюжини пропозицій про роботу. І все ж після першої співбесіди в кампусі він знав, що хоче поїхати до Стенфорду. Він визнав унікальне середовище для співпраці та життєво важливий зв'язок школи з промисловістю.

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Додайте собі сили. Доступ тут.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• ПлатонЕСГ. вуглець, CleanTech, Енергія, Навколишнє середовище, Сонячна, Поводження з відходами. Доступ тут.
• PlatoHealth. Розвідка про біотехнології та клінічні випробування. Доступ тут.
• джерело: https://genesisnanotech.wordpress.com/2024/03/26/stanford-universitys-battery-super-power/