Clare Greyová zdůrazňuje vývoj baterií pro elektrifikaci planety

„Jak vyrábět baterie za cenu vhodnou pro celosvětové masové přijetí a jak toho dosáhnout, abychom elektrifikovali planetu?“ ptala se Clare Greyová publika více než 450 osobních a online účastníků šesté výroční přednášky Dresselhaus, kterou 18. listopadu uspořádal MIT.nano. „Největší výzvou je, jak vyrobit baterie, které umožní větší využití obnovitelných zdrojů v energetické síti.“

Tyto otázky zdůraznily jedno z klíčových poselství Greyové v její prezentaci: budoucnost baterií je úzce spjata s globálními klimatickými snahami. Zabývala se problémy udržitelnosti těžby lithia a zdůraznila význam zvyšování rozmanitosti minerálů, které lze v bateriích použít. Její přednáška se však primárně zaměřila na pokročilé zobrazovací techniky, které poskytují informace o chování materiálů a povedou k vývoji nových technologií. „Musíme přijít s novými chemickými sloučeninami a materiály, které jsou jak udržitelnější, tak bezpečnější,“ řekla a zmínila také další problémy, jako je sekundární využití, které vyžaduje výrobu baterií s delší životností.

Lepší pochopení povede k lepším bateriím

„Baterie skutečně proměnily způsob, jak žijeme,“ řekla Greyová. „Abychom vylepšili baterie, musíme pochopit, jak fungují, jak se chovají a jak degradují.“

Greyová, profesorka Královské společnosti a Geoffrey Moorhouse-Gibson profesorka chemie na Cambridgeské univerzitě, představila nové optické metody pro studium baterií během provozu, vizualizaci reakcí až na nanoskopické úrovni. „Je mnohem snazší studovat pracující zařízení in situ,“ řekla. „Když rozeberete baterie, někdy existují procesy, které přežití demontáže nepřežijí.“

Greyová představila práci své výzkumné skupiny, která využívá in situ metrologii k lepšímu pochopení různých dynamik a transformačních jevů různých materiálů. Například in situ nukleární magnetická rezonance dokáže identifikovat problémy s obalováním lithia křemíkem (netvoří pasivní vrstvu) a demonstrovat, proč nelze anody nahradit sodíkem (je to molekula nesprávné velikosti). Greyová diskutovala o hodnotě používání in situ metrologie pro zkoumání materiálů s vyšší hustotou energie, které jsou udržitelnější, jako jsou lithium-sirné nebo lithium-vzdušné baterie.

Přednáška propojila lokální strukturu s mechanismy a způsobem, jakým se materiály interkalují. Greyová hovořila o použití interferometrické rozptylové (iSCAT) mikroskopie, běžně používané biology, k sledování, jak se ionty vtahují a vytlačují z materiálů. Sdílením iSCAT snímků grafitu vzdala hold zesnulé profesorce Institutu a jmenovkyni přednášky Mildred Dresselhausové, když diskutovala o nukleaci, procesu, kdy se atomy spojují a tvoří nové struktury, což je důležité pro zvažování nových, udržitelnějších materiálů pro baterie.

„Millie ve své přednášce z fyziky pevných látek pro vysokoškoláky pěkně vysvětlila, co se tu děje,“ vysvětlila Greyová. „Dochází k dramatické změně vodivosti, když přejdete z řídkého do hustého stavu. Vodivost stoupá. S touto informací můžete prozkoumat nukleaci.“

Navrhování pro budoucnost

„Jak navrhnout rychlé nabíjení?“ zeptala se Greyová a diskutovala o gradientní spektroskopii pro vizualizaci různých materiálů. „Musíme najít materiál, který pracuje při dostatečně vysokém napětí, aby se zabránilo litné vrstvě lithia, a má vysokou mobilitu lithia.“

„Abych se vrátila k tématu grafitu a Millie Dresselhausové,“ řekla Greyová, „snažila jsem se skutečně pochopit, jaká je povaha pasivní vrstvy, která roste jak na grafit, tak na lithiovém kovu. Můžeme tuto vrstvu vylepšit?“ V následné diskusi Greyová hovořila o výhodách a nevýhodách začlenění dusíku do anody.

Po přednášce se k Greyové připojil Yet-Ming Chiang, profesor keramiky Kyocera na MIT katedře materiálových věd a inženýrství, na neformálním rozhovoru. Konverzace se dotkla politických a akademických postojů ke změně klimatu ve Velké Británii a členové publika ocenili Greyův vývoj zobrazovacích metod, které umožňují výzkumníkům sledovat teplotně závislou reakci bateriových materiálů.

Toto byla šestá přednáška Dresselhaus, pojmenovaná na počest profesorky MIT Mildred Dresselhausové, známé mnohým jako „královna uhlíkové vědy“. „Je skutečně nádherné být zde a oslavovat život a vědu Millie Dresselhausové,“ řekla Greyová. „Byla velmi silnou zastánkyní žen ve vědě. Jsem poctěna, že zde mohu přednesti přednášku na její počest.“