Yi Cui đang khai thác sức mạnh của khoa học nano để phát triển các cấu trúc cực nhỏ — đóng vai trò to lớn trong quá trình chuyển đổi năng lượng sạch

Trong một trận đấu vật giữa vượn cáo chuột lùn và khỉ đột, trực giác cho thấy loài linh trưởng lớn hơn sẽ giành chiến thắng. Quan niệm cho rằng kích thước bằng sức mạnh cũng gây được tiếng vang trong khoa học viễn tưởng, được mô tả trong các tác phẩm như tiểu thuyết năm 1956. Người đàn ông thu nhỏ và bộ phim 1989 Mật ong, tôi thu nhỏ các trẻ em, vừa khám phá thế giới sẽ đáng sợ như thế nào nếu con người đột nhiên nhỏ hơn kiến.

Khoa học nano lật ngược quy ước này: Khi vật liệu giảm kích thước xuống cấp nano, chúng thực sự có thể thể hiện độ bền tăng lên. Một nanomet lớn đến mức nào? Một phần tỷ mét, hay gần đúng là móng tay của bạn dài ra bao nhiêu trong một giây. Độ dày của một tờ giấy đo được đáng kinh ngạc là 100,000 nanomet.

Yi Cui, Giáo sư Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu của Người sáng lập Fortinet, đã dành gần hai thập kỷ để khai thác tiềm năng của khoa học nano nhằm cách mạng hóa một khía cạnh then chốt của quá trình chuyển đổi năng lượng sạch: lưu trữ pin.

Trong khi pin lithium-ion thường được kết hợp với các thiết bị di động—điện thoại di động, máy điều hòa nhịp tim—nhu cầu về pin giàu năng lượng đang tăng lên trong thế giới khử cacbon. Quá trình chuyển đổi sang ô tô điện và máy bay, rất quan trọng để giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, xoay quanh việc phát triển các loại pin mạnh mẽ. Và khi ngày càng có nhiều hộ gia đình và doanh nghiệp sử dụng năng lượng mặt trời, nhu cầu về pin lớn, giàu năng lượng có khả năng lưu trữ năng lượng dư thừa để sử dụng qua đêm hoặc trong điều kiện thời tiết bất lợi ngày càng tăng.

Không giống như pin nhiên liệu – một sản phẩm tiên phong khác trong quá trình chuyển đổi năng lượng sạch – pin mang lại lợi thế tận dụng cơ sở hạ tầng điện hiện có. Nhưng chúng cũng đặt ra những thách thức, đó là độ an toàn và chi phí. Bất kỳ giải pháp pin khả thi nào cũng phải chịu được mọi điều kiện nhiệt độ có thể và đủ rẻ để áp dụng rộng rãi. 

Nhập khoa học nano. Các tính chất vật lý và hóa học của vật liệu có thể thay đổi đáng kể ở cấp độ nano, một phần do cơ học lượng tử và tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích lớn hơn. Ví dụ, trong khi carbon ở cấp độ vĩ mô có thể tạo thành than chì có thể tách rời trong bút chì của bạn, thì carbon ở cấp độ nano lại cứng hơn thép. Tương tự như vậy, nhôm, ổn định khi ở dạng khối, sẽ trở nên dễ cháy ở cấp độ nano. Đối với Yi Cui, những thay đổi căn bản như vậy ở cấp độ nano mở ra con đường cho sự đổi mới mang tính đột phá trong công nghệ pin.

Hầu hết các loại pin đều bao gồm các dây dẫn tích điện dương và âm – tương ứng là cực dương và cực âm – được treo trong chất điện phân. Khi các ion di chuyển giữa cực dương và cực âm, năng lượng sẽ phóng ra và tạo ra năng lượng. 

Silicon từ lâu đã được coi là cực dương tiềm năng vì nó có mật độ năng lượng lớn hơn và giá thành thấp hơn nhiều so với cực dương than chì được sử dụng chủ yếu trong pin lithium-ion. Tuy nhiên, thể tích của silicon tăng 400% khi lithium được lắp vào và rút ra, làm hỏng pin. 

Giải pháp sáng tạo của Cui? Làm cho vật liệu nhỏ hơn. Ông đã sử dụng quy trình hơi-lỏng-rắn (VLS) để phát triển các dây nano silicon, bao gồm việc cho các chất xúc tác hạt nano kim loại tiếp xúc với khí silicon ở nhiệt độ từ 400-500 độ C, hòa tan silicon thành các hạt nano cho đến khi hình thành các giọt chất lỏng. 

Cui cho biết: “Bạn tiếp tục thêm các nguyên tử silicon vào giọt này, nó sẽ siêu bão hòa và kết tủa thành hình dạng dây nano silicon rắn”. “Đó thực sự là một cơ chế đẹp đẽ và tinh tế để tạo ra những sợi dây này.” 

Những điện cực dây nano silicon mới này có thể chịu được sức căng đáng kể mà không bị phân hủy nhanh chóng như xảy ra với silicon ở khối lượng lớn, cho phép thực hiện nhiều chu kỳ sạc và xả. Vì silicon lưu trữ lượng lithium nhiều hơn 10 lần so với than chì làm cực dương nên điều này cho phép cung cấp gần gấp đôi lượng năng lượng trong một cục pin cỡ lớn. 

Cui đã công bố những phát hiện này trong một bài báo mang tính bước ngoặt vào năm 2008. Ngoài việc cho thấy có thể tạo ra pin lithium-ion với cực dương silicon nguyên chất, bài báo còn đi tiên phong một cách hiệu quả trong lĩnh vực khoa học nano để lưu trữ năng lượng.

Truy đuổi “chén thánh” lưu trữ năng lượng

Theo Cui, pin kim loại lithium là “chén thánh” của nghiên cứu pin. Chúng là trọng tâm chính của Hiệp hội Battery500, một nhóm các nhà nghiên cứu từ các phòng thí nghiệm quốc gia, học viện và ngành công nghiệp nhằm mục đích tăng năng lượng của pin, cho phép nhiều chu kỳ sạc/xả hơn và giảm chi phí pin—tất cả đều quan trọng để đạt được Bộ phận về các mục tiêu của Energy về năng lượng trung hòa carbon và điện khí hóa. Cui, đồng giám đốc của Battery500, cho biết kim loại lithium thậm chí còn cung cấp dung lượng lớn hơn pin lithium-ion có cực dương silicon. 

Cui đã dành nhiều năm tìm kiếm một công cụ hình ảnh có thể cung cấp cái nhìn sâu sắc về kim loại lithium và các vật liệu pin khác. Vì các chùm electron từ kính hiển vi điện tử phá hủy kim loại lithium nên việc quan sát các đặc điểm chính ở quy mô nguyên tử là không thể. Đặc biệt, Cui muốn kiểm tra chất điện phân rắn xen kẽ của kim loại lithium – một lớp vật liệu hình thành giữa cực dương và chất điện phân lỏng.

Khi còn là học giả sau tiến sĩ tại Berkeley, Cui đã học về kính hiển vi điện tử lạnh (cryo-EM), một công nghệ được các nhà sinh học cấu trúc phát triển để nghiên cứu các phân tử sinh học như protein, nhưng độ phân giải không gian còn xa mới đạt được mức cần thiết để nghiên cứu kim loại lithium. Mười năm sau, ông nhận ra rằng những tiến bộ trong công nghệ cryo-EM có khả năng cách mạng hóa việc nghiên cứu pin. 

Sự sẵn lòng của Cui trong việc xem xét các phương pháp tiếp cận bên ngoài và bên ngoài kỷ luật đã được đền đáp. Phòng thí nghiệm của ông chỉ mất bốn tháng để phát triển kỹ thuật cryo-EM để chụp ảnh kim loại lithium. Bằng cách làm lạnh vật liệu xuống nhiệt độ của nitơ lỏng, Cui có thể chụp được những hình ảnh đầu tiên về kim loại lithium và chất điện phân rắn xen kẽ của nó ở quy mô nguyên tử. Hình ảnh có độ phân giải cao này làm sáng tỏ bản chất của sợi nhánh lithium, nguyên nhân khiến pin kim loại lithium bị đoản mạch, thậm chí cho phép Cui đo khoảng cách giữa các nguyên tử (một phần bảy nanomet). 

“Lúc đầu không ai có thể tin được!” Cui cười, nhớ lại việc thuyết phục những người đánh giá ngang hàng đã khó khăn như thế nào Khoa học rằng đây thực sự là hình ảnh của kim loại lithium. 

“Khi tôi không thể tìm ra giải pháp, tôi cứ để vấn đề ở đó. Sau đó, tôi sẽ nghĩ lại về điều đó một tuần hoặc vài tháng sau. Và điều này có thể tiếp diễn trong nhiều thập kỷ,” Cui nói. “Nhưng tôi có một ví dụ mà một thập kỷ sau, cuối cùng tôi đã tìm ra.”

"

KHI KHÔNG TÌM RA GIẢI PHÁP, TÔI CHỈ ĐỂ VẤN ĐỀ Ở ĐÓ.

Sau đó, tôi sẽ nghĩ lại về điều đó một tuần hoặc vài tháng sau. Và điều này có thể tiếp tục trong nhiều thập kỷ. Nhưng tôi có một ví dụ mà một thập kỷ sau, cuối cùng tôi cũng đã tìm ra.”

Yi Cui

Một nguyên mẫu pin trong phòng thí nghiệm của Cui.

Với những vấn đề khó khăn nhất, Cui sẵn sàng kiên trì và thậm chí thích làm điều đó—một phẩm chất quan trọng đối với một nhà khoa học đang đối mặt với biến đổi khí hậu. 

Ông phản ánh: “Tất nhiên, nhiều người cảm thấy sợ hãi vì vấn đề quá lớn đến mức lo lắng không có giải pháp và trở nên bi quan”. “Tôi lạc quan vì tôi tin rằng chúng ta sẽ có thể tìm ra giải pháp.”

Giải pháp duy trì sự sống + tăng tốc

Duy trì sự sống + Giải pháp tăng tốc: Tác động

Tại sao nó quan trọng

Pin an toàn, rẻ tiền với mật độ năng lượng cao là điều cần thiết để chuyển đổi sang năng lượng sạch. Nghiên cứu của Cui có thể giúp chống lại biến đổi khí hậu bằng cách lưu trữ năng lượng gió và mặt trời, giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và đáp ứng các mục tiêu bền vững quan trọng.

Cái gì tiếp theo

Ngoài nghiên cứu đang diễn ra trong phòng thí nghiệm của mình, Cui sẽ tận dụng kinh nghiệm của mình với tư cách là một doanh nhân với tư cách là giám đốc mới của Bộ tăng tốc bền vững của Stanford, nhằm mục đích thúc đẩy việc chuyển đổi các giải pháp chính sách và công nghệ sang thế giới thực.

Tại sao Stanford

Trước khi Cui hoàn thành chương trình nghiên cứu sau tiến sĩ tại Berkeley, anh đã nhận được khoảng chục lời mời làm việc theo hợp đồng. Tuy nhiên, anh ấy biết mình muốn đến Stanford sau cuộc phỏng vấn đầu tiên ở trường. Ông nhận ra môi trường hợp tác, độc đáo của trường và mối quan hệ quan trọng của trường với ngành công nghiệp.

• Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Trao quyền cho chính mình. Truy cập Tại đây.
• PlatoAiStream. Thông minh Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
• Trung tâmESG. Than đá, công nghệ sạch, Năng lượng, Môi trường Hệ mặt trời, Quản lý chất thải. Truy cập Tại đây.
• PlatoSức khỏe. Tình báo thử nghiệm lâm sàng và công nghệ sinh học. Truy cập Tại đây.
• nguồn: https://genesisnanotech.wordpress.com/2024/03/26/stanford-universitys-battery-super-power/