Yi Cui está aprovechando el poder de la nanociencia para desarrollar estructuras extremadamente pequeñas, que desempeñan un papel muy importante en la transición a la energía limpia.

En un combate de lucha libre entre un lémur ratón pigmeo y un gorila, la intuición sugiere que el primate más grande ganaría. La noción de que tamaño es igual a fuerza también encuentra resonancia en la ciencia ficción, representada en obras como la novela de 1956. El hombre que se encoge y la película 1989 Cariño, he encogido a los niños, ambos exploran lo aterrador que sería el mundo si los humanos fueran de repente más pequeños que las hormigas.

La nanociencia pone patas arriba esta convención: a medida que los materiales disminuyen de tamaño hasta la nanoescala, en realidad pueden exhibir una mayor resistencia. ¿Qué tamaño tiene un nanómetro? Una milmillonésima parte de un metro, o aproximadamente cuánto crecen tus uñas en un segundo. El grosor de una sola hoja de papel mide la asombrosa cifra de 100,000 nanómetros.

Yi Cui, profesor fundador de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Fortinet, ha dedicado casi dos décadas a desbloquear el potencial de la nanociencia para revolucionar un aspecto fundamental de la transición a la energía limpia: el almacenamiento en baterías.

Si bien las baterías de iones de litio se asocian comúnmente con dispositivos portátiles (teléfonos celulares, marcapasos), la demanda de baterías densas en energía está creciendo en el mundo de la descarbonización. La transición a automóviles y aviones eléctricos, fundamental para reducir la dependencia de los combustibles fósiles, depende del desarrollo de baterías potentes. Y a medida que más hogares y empresas adoptan la energía solar, existe una creciente necesidad de baterías grandes y densas en energía capaces de almacenar el exceso de energía para usarla durante la noche o durante condiciones climáticas adversas.

A diferencia de las pilas de combustible, otro pionero en la transición a la energía limpia, las baterías ofrecen la ventaja de aprovechar la infraestructura eléctrica existente. Pero también presentan desafíos, a saber, la seguridad y el costo. Cualquier solución de batería viable debe soportar todas las condiciones de temperatura posibles y ser lo suficientemente económica para una adopción generalizada. 

Introduzca la nanociencia. Las propiedades físicas y químicas de los materiales pueden cambiar drásticamente a nanoescala, impulsadas en parte por la mecánica cuántica y una mayor relación superficie-volumen. Por ejemplo, mientras que el carbono en la macroescala podría constituir, digamos, el grafito que se puede romper en un lápiz, el carbono en la nanoescala es más fuerte que el acero. Asimismo, el aluminio, que es estable a granel, se vuelve combustible a escala nanométrica. Para Yi Cui, cambios tan radicales a nanoescala abren un camino para la innovación revolucionaria en la tecnología de baterías.

La mayoría de las baterías constan de conductores cargados positiva y negativamente (un ánodo y un cátodo, respectivamente) suspendidos en un electrolito. A medida que los iones se mueven entre el ánodo y el cátodo, la energía se descarga y genera energía. 

El silicio ha sido atractivo durante mucho tiempo como ánodo potencial porque tiene una mayor densidad de energía y cuesta mucho menos que los ánodos de grafito utilizados predominantemente en las baterías de iones de litio. Sin embargo, el volumen del silicio aumenta un 400 por ciento cuando se inserta y extrae litio, destruyendo la batería. 

¿La solución creativa de Cui? Hacer los materiales más pequeños. Utilizó un proceso vapor-líquido-sólido (VLS) para cultivar nanocables de silicio, que implica exponer catalizadores de nanopartículas metálicas a gas de silicio a temperaturas de 400 a 500 grados Celsius, disolviendo el silicio en nanopartículas hasta que se formen gotas de líquido. 

"Si sigues añadiendo átomos de silicio a esta gota, se sobresaturará y precipitará en forma de nanocables de silicio sólido", dice Cui. "Es un mecanismo realmente hermoso y elegante para fabricar estos cables". 

Estos nuevos electrodos de nanocables de silicio podrían soportar una tensión significativa sin la rápida degradación que se produce en el silicio en masa, lo que permite muchos ciclos de carga y descarga. Dado que el silicio almacena 10 veces más litio que el grafito como ánodo, esto permite casi el doble de energía en una batería de tamaño completo. 

Cui publicó estos hallazgos en un artículo histórico en 2008. Además de demostrar que era posible crear una batería de iones de litio con un ánodo de silicio puro, el artículo fue pionero en el campo de la nanociencia para el almacenamiento de energía.

Persiguiendo el “santo grial” del almacenamiento de energía

Según Cui, las baterías de litio metálico son el “santo grial” de la investigación sobre baterías. Son el foco principal del Consorcio Battery500, un grupo de investigadores de laboratorios nacionales, el mundo académico y la industria que tiene como objetivo aumentar la energía de las baterías, permitir más ciclos de carga/descarga y reducir el costo de las baterías, todo ello crucial para lograr el objetivo del Departamento. de Energía para lograr energía neutra en carbono y electrificación. Cui, codirector de Battery500, afirma que el litio metálico ofrece una capacidad incluso mayor que las baterías de iones de litio con ánodo de silicio. 

Cui pasó años buscando una herramienta de imágenes que pudiera ofrecer información sobre el metal de litio y otros materiales de baterías. Dado que los haces de electrones de los microscopios electrónicos destruyen el litio metálico, era imposible observar características clave a escala atómica. En particular, Cui quería examinar la interfase del electrolito sólido del metal litio, una capa de material que se forma entre el ánodo y el electrolito líquido.

Cuando era becario postdoctoral en Berkeley, Cui aprendió sobre microscopía crioelectrónica (crio-EM), una tecnología desarrollada por biólogos estructurales para estudiar biomoléculas como las proteínas, pero la resolución espacial estaba lejos de lo que se necesitaba para investigar el litio metálico. Diez años más tarde, se dio cuenta de que los avances en la tecnología crio-EM podrían revolucionar la investigación sobre baterías. 

La voluntad de Cui de considerar enfoques innovadores y fuera de la disciplina dio sus frutos. A su laboratorio le llevó sólo cuatro meses desarrollar una técnica crio-EM para obtener imágenes del litio metálico. Al enfriar el material a la temperatura del nitrógeno líquido, Cui pudo capturar las primeras imágenes del litio metálico y su interfase de electrolito sólido a escala atómica. Estas imágenes de alta resolución arrojan luz sobre la naturaleza de las dendritas de litio, que provocan cortocircuitos en las baterías de metal litio, lo que incluso permite a Cui medir la distancia entre átomos (un séptimo de nanómetro). 

“¡Nadie podía creerlo al principio!” ríe Cui, recordando lo difícil que fue convencer a los revisores para Ciencia: que realmente eran imágenes de litio metálico. 

“Cuando no puedo encontrar la solución, simplemente dejo que el problema permanezca ahí. Luego, lo pensaré nuevamente una semana o meses después. Y esto puede continuar durante décadas”, afirma Cui. "Pero tengo un ejemplo en el que, una década después, finalmente lo descubrí".

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CUANDO NO PUEDO ENCONTRAR LAS SOLUCIONES, DEJO QUE EL PROBLEMA SE QUEDE AHÍ.

Luego, lo pensaré nuevamente una semana o meses después. Y esto puede continuar durante décadas. Pero sí tengo un ejemplo en el que, una década después, finalmente lo descubrí”.

Yi Cui

Un prototipo de batería en el laboratorio de Cui.

Ante los problemas más desafiantes, Cui está dispuesto a perseverar e incluso disfruta haciéndolo, una cualidad vital para un científico que enfrenta el cambio climático. 

“Por supuesto, muchas personas se asustan porque el problema es tan grande que temen que no haya solución y se vuelven pesimistas”, reflexiona. "Soy optimista porque creo que podremos encontrar las soluciones".

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Sostener la vida + Acelerar soluciones: el impacto

Por qué es importante

Las baterías seguras y económicas con alta densidad de energía son esenciales para la transición a energías limpias. La investigación de Cui podría ayudar a combatir el cambio climático almacenando energía eólica y solar, reduciendo la dependencia de los combustibles fósiles y cumpliendo objetivos fundamentales de sostenibilidad.

Que sigue

Además de la investigación en curso en su laboratorio, Cui aprovechará su experiencia como emprendedor como nuevo director del Sustainability Accelerator de Stanford, cuyo objetivo es impulsar la traducción de soluciones tecnológicas y políticas al mundo real.

¿Por qué Stanford?

Antes de que Cui completara su beca postdoctoral en Berkeley, había recibido alrededor de una docena de ofertas de trabajo permanentes. Aun así, sabía que quería ir a Stanford después de su primera entrevista en el campus. Reconoció el entorno colaborativo único de la escuela y su relación vital con la industria.

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• Fuente: https://genesisnanotech.wordpress.com/2024/03/26/stanford-universitys-battery-super-power/