[ad_1]
За трехмесячный период средний автомобиль в США производит одну метрическую тонну углекислого газа. Умножьте это на все автомобили с бензиновым двигателем на Земле, и как это будет выглядеть? Непреодолимая проблема.
Но новые исследования говорят о том, что есть надежда, если к 2050 году мы возьмемся за нулевые выбросы углерода и заменим потребляющие бензин автомобили электромобилями, среди многих других решений, связанных с экологически чистой энергией.
Чтобы помочь нашей стране в достижении этой цели, такие ученые, как Уильям Чуэ и Дэвид Шапиро, работают вместе, чтобы разработать новые стратегии для разработки более безопасных аккумуляторов дальнего действия, изготовленных из устойчивых, распространенных на Земле материалов.
Чуэ — адъюнкт-профессор материаловедения и инженерии в Стэнфордском университете, стремящийся перепроектировать современную батарею снизу вверх. Он полагается на самые современные инструменты в научных пользовательских учреждениях Министерства энергетики США, таких как усовершенствованный источник света (ALS) в лаборатории Беркли и Стэнфордский источник синхротронного излучения SLAC — синхротронные установки, которые генерируют яркие лучи рентгеновского света — для открытия молекулярная динамика материалов батареи в действии.
В течение почти десяти лет Чуэ сотрудничал с Шапиро, старшим научным сотрудником ALS и ведущим специалистом по синхротрону, и их совместная работа привела к созданию потрясающих новых методов, впервые раскрывающих, как материалы батареи работают в действии, в режиме реального времени. в беспрецедентных масштабах, невидимых невооруженным глазом.
В этом разделе вопросов и ответов они обсуждают свою новаторскую работу.
В: Что вас заинтересовало в исследовании аккумуляторов/аккумуляторов энергии?
Чуэ: Моя работа почти полностью основана на принципах устойчивого развития. Я начал заниматься исследованиями энергетических материалов, когда был аспирантом в начале 2000-х — я работал над технологией топливных элементов. Когда я пришел в Стэнфорд в 2012 году, мне стало очевидно, что масштабируемое и эффективное хранение энергии имеет решающее значение.
Сегодня я очень рад видеть, что отказ от ископаемого топлива в энергетике становится реальностью и реализуется в невероятных масштабах.
У меня есть три цели: во-первых, я провожу фундаментальные исследования, которые закладывают основу для перехода к энергии, особенно с точки зрения разработки материалов. Во-вторых, я обучаю ученых и инженеров мирового класса, которые будут решать эти проблемы в реальном мире. И, в-третьих, я беру фундаментальную науку и претворяю ее в жизнь посредством предпринимательства и передачи технологий.
Что касается последнего пункта, я имею удовольствие основать Mitra Chem, компанию по производству аккумуляторных материалов, чуть меньше года назад во время пандемии. Mitra Chem работает над коммерциализацией некоторых из этих идей.
Надеюсь, это даст вам исчерпывающее представление о том, что мной движет и что, по моему мнению, необходимо для того, чтобы что-то изменить: это знания, люди и технологии.
Шапиро: Я работаю в области оптики и когерентного рассеяния рентгеновских лучей, поэтому, когда я впервые начал работать в ALS в 2012 году, аккумуляторы не были в моем поле зрения. Мне было поручено разработать новые технологии для рентгеновской микроскопии с высоким пространственным разрешением, но это быстро привело к приложениям и попыткам выяснить, чем занимаются исследователи в лаборатории Беркли и за ее пределами и каковы их потребности.
В то время, примерно в 2013 году, в ALS было много работы с использованием различных методов, использующих химическую чувствительность мягкого рентгеновского излучения для изучения фазовых превращений в материалах аккумуляторов, литий-железо-фосфате (LiFePO4), в частности среди прочих.
Меня очень впечатлила работа Уилла, а также работы Ванли Янга, Джорди Кабана (бывший научный сотрудник отдела энергетических технологий (ETA) лаборатории Беркли, который сейчас является адъюнкт-профессором Иллинойского университета в Чикаго) и другими, чья работа также помогла вне работы исследователей ETA Роберта Костецкого и Марки Доефф.
В то время я ничего не знал о батареях, но научное и социальное значение этой области исследований быстро стало для меня очевидным. Синергия исследований в лаборатории Беркли также показалась мне очень глубокой, и я хотел понять, как внести в нее свой вклад. Поэтому я начал связываться с людьми, чтобы узнать, что мы можем сделать вместе.
Как оказалось, возникла острая необходимость улучшить пространственное разрешение измерений материалов наших батарей и посмотреть на них во время циклирования — и мы с Уиллом работаем над этим уже почти десять лет.
В: Уилл, как ученый в области аккумуляторов, что бы вы назвали самой большой проблемой в создании лучших аккумуляторов?
Чуэ: Батареи имеют порядка 10 метрик, которые вы должны совместно оптимизировать одновременно. Легко сделать батарею, которая хороша, может быть, по пяти из 10, но сделать батарею, которая хороша по всем показателям, очень сложно.
Например, предположим, вам нужна батарея с высокой плотностью энергии, чтобы вы могли проехать на электромобиле 500 миль на одном заряде. Вам может понадобиться аккумулятор, который заряжается за 10 минут. И вы можете хотеть батарею, которая длится 20 лет. Вам также нужна батарея, которая никогда не взрывается. Но трудно соответствовать всем этим показателям одновременно.
Мы пытаемся понять, как мы можем создать единую аккумуляторную технологию, которая будет безопасной, долговечной и сможет заряжаться за 10 минут.
И это фундаментальные идеи, которые пытаются сделать наши эксперименты в Berkeley Lab Advanced Light Source: раскрыть эти необъяснимые компромиссы, чтобы мы могли выйти за рамки сегодняшних правил проектирования, которые позволили бы нам идентифицировать новые материалы и новые механизмы, чтобы мы могли освободиться от этих ограничений.
В: Какие уникальные возможности предлагает ALS, которые помогли раздвинуть границы исследований аккумуляторов или накопителей энергии?
Чуэ: Чтобы понять, что происходит, нам нужно это увидеть. Нам нужно провести наблюдения. Ключевая философия моей группы заключается в том, чтобы учитывать динамику и неоднородность материалов аккумуляторов. Материал батареи не похож на камень. Это не статично. Вы заряжаете и разряжаете его каждый день для своих телефонов и каждую неделю для своих электромобилей. Вы не поймете, как работает машина, не водя ее.
Вторая часть заключается в том, что разнородные материалы аккумуляторов имеют чрезвычайно большую протяженность. Ячейка батареи обычно имеет высоту несколько сантиметров, но для того, чтобы понять, что происходит внутри батареи — и у меня есть прекрасные изображения для этого — вам нужно увидеть все вплоть до наномасштаба и до атомного масштаба. Это примерно 10 порядков длины.
То, что усовершенствованный источник света дает таким ученым, как я, — это беспрецедентное использование неоднородности и динамики батареи: мы можем измерять очень медленные процессы. Мы можем измерять очень быстрые процессы. Мы можем измерять вещи в масштабе многих сотен микрон (миллионных долей метра). Мы можем измерять вещи на наноуровне (миллиардная доля метра). И все это с помощью одного замечательного инструмента в Berkeley Lab.
Шапиро: Сканирующая просвечивающая рентгеновская микроскопия (STXM) — очень популярный метод, основанный на синхротроне. Большинство синхротронов по всему миру имеют как минимум один прибор STXM, в то время как у ALS их три, а четвертый находится в процессе реализации проекта ALS Upgrade (ALS-U).
Я думаю, что несколько вещей делают нашу программу уникальной. Во-первых, у нас есть портфель инструментов со специализациями. Один из них оптимизирован для спектроскопии легких элементов, поэтому можно точно охарактеризовать такой элемент, как кислород, который является важнейшим компонентом в химии аккумуляторов.
Другой инструмент специализируется на картировании химического состава с очень высоким пространственным разрешением. У нас самая высокая в мире рентгеновская микроскопия с пространственным разрешением. Это очень полезно для увеличения масштаба химических реакций, происходящих внутри отдельных наночастиц и интерфейсов батареи.
Наш третий прибор специализируется на оперативных измерениях химического состава батареи, которые необходимы вам для того, чтобы по-настоящему понять физические и химические изменения, происходящие во время цикла работы батареи.
Мы также усердно работали над развитием синергии с другими учреждениями Berkeley Lab. Например, в нашем микроскопе высокого разрешения используются те же среды образцов, что и в электронных микроскопах в Molecular Foundry, пользовательском центре нанотехнологий Berkeley Lab, поэтому стало возможным исследовать одну и ту же активную среду батареи как с рентгеновскими лучами, так и с электронами. Уилл использовал этот корреляционный подход для изучения взаимосвязи между химическим состоянием и структурной деформацией в материалах батареи. Это никогда не делалось раньше на масштабах длины, к которым у нас есть доступ, и это дает новое понимание.
В: Как проект ALS Upgrade будет способствовать развитию технологий хранения энергии следующего поколения? Что модернизированный ALS предложит исследователям батарей/накопителей энергии, что будет уникальным для лаборатории Беркли?
Шапиро: Модернизированный ALS будет уникальным по нескольким причинам в том, что касается микроскопии. Во-первых, это будет самый яркий источник мягкого рентгеновского излучения в мире, дающий в 100 раз больше рентгеновских лучей на образец, чем то, что мы имеем сегодня. Методы сканирующей микроскопии выиграют от такой высокой яркости.
Это и огромная возможность, и огромный вызов. Мы можем использовать эту яркость для измерения данных, которые мы получаем сегодня, но сделать это в 100 раз быстрее — сложная задача.
Такие новые возможности дадут нам гораздо более статистически точный взгляд на структуру и функционирование батареи за счет расширения до больших масштабов длины и меньших временных масштабов. В качестве альтернативы мы могли бы также измерять данные с той же скоростью, что и сегодня, но с примерно в три раза более высоким пространственным разрешением, что позволит нам перейти от примерно 10 нанометров к нескольким нанометрам. Это очень важная шкала длины для материаловедения, но сегодня она просто недоступна для рентгеновской микроскопии.
Еще одна вещь, которая сделает модернизированный ALS уникальным, — это его близость к опыту Molecular Foundry; другие области науки, такие как область энергетических технологий; и центры текущих и будущих исследований в области энергетики, базирующиеся в лаборатории Беркли. Эта синергия будет продолжать стимулировать исследования в области хранения энергии.
Чуэ: Одна из проблем, с которыми мы сталкиваемся в настоящее время в области исследований аккумуляторов, заключается в том, что нам нужно решить так много интересных задач, но на выполнение всего одного измерения уходят часы и дни. Проект ALS-U повысит производительность экспериментов и позволит нам исследовать материалы с более высоким разрешением и меньшими масштабами. В целом, это способствует развитию новой науки. Много лет назад я внес свой вклад в обоснование ALS-U, поэтому я очень горжусь тем, что являюсь частью этого. заниматься наукой, которой мы не можем заниматься сегодня.
Связанный
[ad_2]
Source