Yi Cui n ṣe lilo agbara ti nanoscience lati dagba awọn ẹya kekere pupọ — eyiti o ṣe ipa nla ninu iyipada agbara mimọ.

Ninu ere gídígbò kan laarin lemur pygmy Asin lemur ati gorilla kan, intuition daba pe primate nla yoo ṣẹgun. Iro naa pe iwọn dọgba agbara tun rii ariwo ni itan-akọọlẹ imọ-jinlẹ, ti a fihan ninu awọn iṣẹ bii aramada 1956 Ọkunrin ti o sunki ati fiimu 1989 Oyin, Emi ni Omi fun Awọn ọmọ naa, àwọn méjèèjì ń ṣàyẹ̀wò bí ayé ṣe máa bani lẹ́rù tó bí èèyàn bá kéré lójijì ju èèrà lọ.

Nanoscience yi apejọ yii pada si ori rẹ: Bi awọn ohun elo ṣe dinku ni iwọn si nanoscale, wọn le ṣe afihan agbara ti o pọ si. Bawo ni nanometer kan ti tobi to? Ọkan bilionu kan ti mita kan, tabi ni aijọju iye eekanna ika ọwọ rẹ dagba ni iṣẹju-aaya kan. Isanra bébà kan jẹ́ 100,000 nanometer ti o yanilẹnu kan.

Yi Cui, Ọjọgbọn Awọn oludasilẹ Fortinet ti Imọ-ẹrọ ati Imọ-ẹrọ, ti ṣe igbẹhin fere ọdun meji ọdun lati ṣii agbara nanoscience lati yi abala pataki kan ti iyipada agbara mimọ: ipamọ batiri.

Lakoko ti awọn batiri lithium-ion jẹ nkan ti o wọpọ pẹlu awọn ohun elo to ṣee gbe — awọn foonu alagbeka, awọn ẹrọ afọwọya-ibeere fun awọn batiri ti o ni agbara n dagba ni agbaye ti decarbonization. Iyipada si awọn ọkọ ayọkẹlẹ ina mọnamọna ati awọn ọkọ ofurufu, pataki fun idinku igbẹkẹle epo fosaili, awọn mitari lori idagbasoke awọn batiri ti o lagbara. Ati bi awọn ile diẹ sii ati awọn iṣowo ṣe gba agbara oorun, iwulo npọ si wa fun awọn batiri nla, agbara-ipon ti o lagbara lati ṣafipamọ agbara apọju fun lilo ni alẹmọju tabi lakoko awọn ipo oju ojo buburu.

Ko dabi awọn sẹẹli idana-iwaju miiran ninu iyipada agbara mimọ-awọn batiri n funni ni anfani ti mimu awọn amayederun ina to wa tẹlẹ. Ṣugbọn wọn tun ṣafihan awọn italaya, eyun ailewu ati idiyele. Eyikeyi ojutu batiri ti o le yanju gbọdọ koju gbogbo awọn ipo iwọn otutu ti o ṣeeṣe ati ki o jẹ ilamẹjọ to fun isọdọmọ ni ibigbogbo. 

Tẹ nanoscience. Awọn ohun-ini ti ara ati kemikali ti awọn ohun elo le yipada ni iyalẹnu ni nanoscale, ti a ṣe ni apakan nipasẹ awọn ẹrọ kuatomu ati ipin agbegbe-si-iwọn iwọn ti o tobi ju. Fun apẹẹrẹ, lakoko ti erogba ni macroscale le jẹ, sọ, graphite snappable ninu ikọwe rẹ, erogba ni nanoscale lagbara ju irin lọ. Bakanna, aluminiomu, eyi ti o jẹ idurosinsin ni olopobobo, di combustible ni nanoscale. Fun Yi Cui, iru awọn ayipada ipilẹṣẹ ni nanoscale ṣii ọna kan fun isọdọtun ilẹ ni imọ-ẹrọ batiri.

Pupọ julọ awọn batiri ni awọn oludari agbara daadaa ati ni odi — anode ati cathode, lẹsẹsẹ — ti daduro ni elekitiroti kan. Bi awọn ions ti nlọ laarin anode ati cathode, agbara agbara, ti o npese agbara. 

Ohun alumọni ti pẹ ti o wuyi bi anode ti o pọju nitori pe o ni iwuwo agbara ti o tobi julọ ati awọn idiyele ti o dinku pupọ ju awọn anodes graphite ti a lo ni pataki julọ ninu awọn batiri litiumu-ion. Sibẹsibẹ, iwọn didun silikoni pọ si 400 ogorun nigbati litiumu ti fi sii ati fa jade, ti npa batiri naa jẹ. 

Ojutu ẹda ti Cui? Ṣiṣe awọn ohun elo ti o kere ju. O lo ilana vapor-liquid-solid (VLS) lati dagba awọn nanowires silikoni, eyiti o kan ṣiṣafihan awọn ohun itọsi nanoparticle ti irin si gaasi ohun alumọni ni awọn iwọn otutu lati 400-500 iwọn Celsius, titu ohun alumọni sinu awọn ẹwẹ titobi titi awọn droplets omi yoo dagba. 

“O tẹsiwaju lati ṣafikun awọn ọta silikoni si droplet yii, ati pe yoo kun pupọ ati ṣaju jade ni apẹrẹ silikoni nanowire ti o lagbara,” Cui sọ. “O jẹ ẹwa gaan, ẹrọ didara lati ṣe awọn onirin wọnyi.” 

Awọn amọna ohun alumọni nanowire tuntun wọnyi le gba igara pataki laisi ibajẹ iyara ti o waye si ohun alumọni ni olopobobo, gbigba fun ọpọlọpọ awọn iyipo ti gbigba agbara ati gbigba agbara. Niwọn igba ti ohun alumọni ti fipamọ litiumu ni awọn akoko 10 diẹ sii ju graphite bi anode, eyi ngbanilaaye fun o fẹrẹ ilọpo meji iye agbara ninu batiri iwọn ni kikun. 

Cui ṣe atẹjade awọn awari wọnyi ni iwe ala-ilẹ kan ni ọdun 2008. Ni afikun si iṣafihan o ṣee ṣe lati ṣẹda batiri lithium-ion pẹlu anode silikoni mimọ, iwe naa ni imunadoko ni aaye ti nanoscience fun ipamọ agbara.

Lepa "mimọ mimọ" ti ipamọ agbara

Gẹgẹ bi Cui, awọn batiri irin litiumu jẹ “grail mimọ” ti iwadii batiri. Wọn jẹ idojukọ akọkọ fun Battery500 Consortium, ẹgbẹ kan ti awọn oniwadi lati awọn ile-iṣẹ ti orilẹ-ede, ile-ẹkọ giga, ati ile-iṣẹ ti o ni ero lati mu agbara awọn batiri pọ si, gba laaye fun idiyele diẹ sii / awọn akoko idasilẹ, ati dinku idiyele batiri — gbogbo pataki fun iyọrisi Ẹka naa ti Awọn ibi-afẹde Agbara fun agbara-afẹde erogba ati itanna. Cui, oludari-alakoso ti Battery500, sọ pe irin lithium nfunni paapaa agbara nla ju awọn batiri lithium-ion pẹlu anode silikoni kan. 

Cui lo awọn ọdun n wa ohun elo aworan ti o le funni ni oye si irin litiumu ati awọn ohun elo batiri miiran. Niwọn bi awọn ina elekitironi lati awọn microscopes elekitironi ba irin litiumu jẹ, wíwo awọn ẹya pataki ni iwọn atomiki ko ṣeeṣe. Ní pàtàkì, Cui fẹ́ ṣàyẹ̀wò interphase electrolyte ti o fẹsẹ̀ múlẹ̀ ti litiumu irin—iyẹfun ohun èlò tí ó ṣẹ̀dá láàárín anode àti electrolyte olomi.

Nigbati o jẹ ọmọ ile-iwe giga postdoctoral ni Berkeley, Cui kọ ẹkọ nipa microscopy cryo-electron microscopy (cryo-EM), imọ-ẹrọ ti o dagbasoke nipasẹ awọn onimọ-jinlẹ igbekalẹ lati ṣe iwadi awọn ohun elo biomolecules gẹgẹbi awọn ọlọjẹ, ṣugbọn ipinnu aaye jinna si ohun ti o nilo lati ṣe iwadii irin lithium. Ọdun mẹwa lẹhinna, o rii pe awọn ilọsiwaju ninu imọ-ẹrọ cryo-EM le ṣe iyipada iwadii batiri. 

Ifẹ ti Cui lati ronu ita-apoti ati ita-ni-ibawi awọn isunmọ sanwo ni pipa. O gba lab rẹ nikan oṣu mẹrin lati ṣe agbekalẹ ilana cryo-EM kan lati ṣe aworan irin litiumu. Nipa itutu ohun elo naa silẹ si iwọn otutu ti nitrogen olomi, Cui ni anfani lati gba awọn aworan akọkọ-lailai ti irin lithium ati interphase elekitirolyte ti o lagbara ni iwọn atomiki. Aworan ti o ga-giga yii tan imọlẹ lori iseda ti awọn dendrites lithium, eyiti o fa ki awọn batiri irin lithium si kukuru kukuru, paapaa gbigba Cui laaye lati wiwọn aaye laarin awọn ọta (idameje ti nanometer kan). 

"Ko si ẹnikan ti o le gbagbọ ni ibẹrẹ!" rẹrin Cui, ni iranti bi o ṣe ṣoro lati parowa fun awọn oluyẹwo ẹlẹgbẹ fun Science ti awọn wọnyi gan wà awọn aworan ti litiumu irin. 

“Nigbati n ko ba ri ojutuu, Mo kan jẹ ki iṣoro naa duro nibẹ. Lẹhinna, Emi yoo ronu nipa rẹ lẹẹkansi ni ọsẹ kan tabi awọn oṣu nigbamii. Ati pe eyi le tẹsiwaju fun ọdun mẹwa, ”Cui sọ. “Ṣugbọn Mo ni apẹẹrẹ nibiti, ọdun mẹwa lẹhinna, Mo pinnu nipari.”

"

NIGBATI MO KO RI OJUTU NAA, MO JEKI ISORO NA SORO NIBE.

Lẹhinna, Emi yoo ronu nipa rẹ lẹẹkansi ni ọsẹ kan tabi awọn oṣu nigbamii. Ati pe eyi le tẹsiwaju fun awọn ọdun mẹwa. Ṣugbọn Mo ni apẹẹrẹ nibiti, ọdun mẹwa lẹhinna, Mo pinnu nikẹhin.”

Yi Kui

Afọwọkọ batiri ni Cui's lab.

Pẹlu awọn iṣoro ti o nija julọ, Cui muratan lati foriti ati paapaa gbadun ṣiṣe bẹ — ànímọ pataki kan fun onimọ-jinlẹ ti o dojukọ iyipada oju-ọjọ. 

“Dajudaju, ọpọlọpọ eniyan ni iberu nitori iṣoro naa tobi pupọ wọn ṣe aibalẹ pe ko si ojutu, wọn si di aibalẹ,” o ṣe afihan. “Mo ni ireti nitori Mo gbagbọ pe a yoo ni anfani lati wa awọn ojutu naa.”

Igbesi aye Itọju + Awọn Solusan Iyara

Igbesi aye Itọju + Awọn Solusan Iyara: Ipa naa

Idi ti o ṣe pataki

Ailewu, awọn batiri ilamẹjọ pẹlu iwuwo agbara giga jẹ pataki si iyipada si agbara mimọ. Iwadi Cui le ṣe iranlọwọ lati koju iyipada oju-ọjọ nipa titoju afẹfẹ ati agbara oorun, idinku igbẹkẹle lori awọn epo fosaili, ati ipade awọn ibi-afẹde agbero pataki.

Kini ni atẹle

Ni afikun si iwadii ti nlọ lọwọ laabu rẹ, Cui yoo mu iriri rẹ ṣiṣẹ bi otaja bi oludari tuntun ti Stanford's Sustainability Accelerator, eyiti o ni ero lati wakọ itumọ ti imọ-ẹrọ ati awọn solusan eto imulo si agbaye gidi.

Kí nìdí Stanford

Ṣaaju ki Cui pari idapo postdoctoral rẹ ni Berkeley, o ti gba nipa awọn ipese iṣẹ igba mejila mejila. Sibẹsibẹ, o mọ pe o fẹ lati lọ si Stanford lẹhin ifọrọwanilẹnuwo akọkọ rẹ lori ogba. O mọ iyasọtọ ti ile-iwe naa, agbegbe ifowosowopo ati ibatan pataki rẹ si ile-iṣẹ.

• SEO Agbara akoonu & PR Pinpin. Gba Imudara Loni.
• PlatoData.Network inaro Generative Ai. Fi agbara fun ara Rẹ. Wọle si Nibi.
• PlatoAiStream. Web3 oye. Imo Amugbadun. Wọle si Nibi.
• PlatoESG. Erogba, CleanTech, Agbara, Ayika, Oorun, Isakoso Egbin. Wọle si Nibi.
• PlatoHealth. Imọ-ẹrọ Imọ-ẹrọ ati Awọn Idanwo Ile-iwosan. Wọle si Nibi.
• Orisun: https://genesisnanotech.wordpress.com/2024/03/26/stanford-universitys-battery-super-power/