ההצעה הבסיסית

עיצובים חדשים של חומרים הם הכרחיים כדי להשיג את ההתקדמות הבסיסית במערכות המרת אנרגיה ואחסון אנרגיה. שניהם חיוניים לאתגר של הפחתת ההתחממות הגלובלית, הדורשת החלפה של תוספי אנרגיה ללא תלות מהסתמכות על דלקי בעירה הפוגעים בסביבה.

אנו מציעים חומרים מוגבלים בקוונטים, בעלי ארכיטקטורה אטומית לשיפור תוצרי מערכות אחסון אנרגיה, ביישומי נישה שבהם עמידות קלת משקל, חום ו/או קרינה, ביצועים גבוהים ואריכות ימים עם חומרים בנפח נמוך הם דרישה חיונית.

ארכיטקטורה אטומית מגדירה מחדש חומרים לאחסון אנרגיה

בטכנולוגיה הנוכחית של סוללות/אגירת אנרגיה, אלקטרודות המבוססות על סיליקון (Si) סובלות משינויים עצומים בנפח במהלך תהליכי ה-lithiation/delithiation. זה גורם לפירוק של ננו-מבני סיליקון וכתוצאה מכך מקצר את תכונות המחזור של הסוללות.

Silicene carbide (SixC) הוא הקרמיקה העמידה ביותר בפני קורוזיה, עם יכולת לשמור על חוזק עד 1400°C (2552°F). בצורה של ננו-מבנה וארכיטקטורה אטומית, SixC מציג קשיות גבוהה למדי, שומר על המבנה שלו לאחר זמני רכיבה ארוכים.

SixC בעל מבנה ננו המשמש כחומר אנודה בסוללות ליתיום יון (LIBs) מציג יציבות מצוינת ברכיבה על אופניים, יכולת דירוג טובה ועכבה נמוכה. ככל שגודל החומר הארכיטקטוני האטומי קטן יותר, כך סובלנות המתח/מתח שלו גבוהה יותר. זה ממזער את הריסוק ומאריך את חיי המחזור של סוללה המשלבת חומרים עם ארכיטקטורה אטומית כזו.

ננו-צינוריות SixC עם ארכיטקטורה אטומית שונה מוצאות יישום במיקרו-אולטרה-קבלים בטמפרטורה גבוהה, שם מחקרים הראו שהם מפגינים יציבות יוצאת דופן, עם חיי שירות ארוכים.

ננוטכנולוגיה היא התחום המנוגד לאינטואיציה שבו נדרש פחות חומר כדי להשיג יותר פונקציונליות, שכן שטח הפנים גדל באופן משמעותי, עם מזעור הגודל. עם חומרים בעלי שטח פנים כה גבוה, במיוחד בטווח גודל הכליאה הקוונטית (<20 ננומטר), ניתן להשיג מערכות עמידות וקלות משקל עם ביצועים גבוהים באמצעות מעט מאוד חומר קוונטי. ארכיטקטורה אטומית היא השלב הבא המשולב בתהליכי עיצוב וייצור החומרים שלנו כדי להגדיל הן את הפונקציונליות והן את התאימות הסביבתית של חומרים קוונטיים, ובכך להפוך את היקף היישום שלהם ליעיל ורב-תכליתי. המטרה החיונית להתקדמות טמונה בהגדלת צפיפות האנרגיה של החומר, לאו דווקא נפחו.

השלב הקוונטי

התקדמות במשטר הקוונטי של ננו-חומרים בעלי ארכיטקטורה אטומית אינה קשורה להגדלת הנפח. יוקרה בתחום הקוונטי מגיע יותר דרך גידול בשטח הפנים וכתוצאה מכך ביצועי החומר, ולא מכמות החומר. זה נעשה מתוך הבנה כיצד למקם מחדש יותר אטומים בשדה התפעולי של משטח החומר. הגדלת היחס בין שטח הפנים לנפח כפי שקורה בחומרים קוונטיים, משפרת הן את צפיפות האנרגיה והן בהספק הודות להגדלת השטח הפעיל מבחינה אלקטרוכימית והפחתת אורכי ההובלה. פחות זה יותר: מדובר בשימוש באנרגיה הגולמית של האטומים הלא מתואמים, הפתוחים לניצולים משמעותיים. בעיקרו של דבר, זהו שיתוף פעולה ייחודי עם הטבע, וחומרים קוונטיים הם השער.

חומרים מוגבלים קוונטיים מציעים פלטפורמה תפעולית חזקה יותר, שבה נדרש רק מעט חומר כדי לבצע את העבודה. עם חומרים כאלה, אתה משיג התקנים עמידים קטנים יותר, קלים יותר, אך חזקים ויעילים באופן מהותי מכיוון שהממדים של חומרים קוונטיים קטנים מדי (<20 ננומטר) כדי לאפשר את התהליכים המיקרו-מכניים בתפזורת של דפורמציה ושבר ובכך לשפר את חיי המחזור שלהם.

תחום החומרים הקוונטי מייצג את התחום הפחות נחקר מבחינה תעשייתית, אך הרצוי ביותר של חומרים לקידום הננוטכנולוגיה כיום. הם גם מייצגים את מערכת החומרים המאתגרת ביותר לייצור, שלא לדבר על יוקרה, כדי לכסות את הביקוש התעשייתי. NANOARC התגברה על המכשול ומכאן מייצרת את ההיצע הזה של ננו-חומרים מוגבלים בקוונטים, בעלי ארכיטקטורה אטומית לשיפור טכנולוגיות הסוללה מהדור הבא, עם ארכיטקטורות חומרים הרבה יותר דקים, קלים ופחות רעילים.

כננו-תוספים לסוללות ליתיום-יון, חלקיקי חומר קוונטי מציעים גודל סופר-דק ושטחי פנים ספציפיים גבוהים מאוד (SSA) המאפשרים לפזר היטב את הננו-תוספים בכל הקתודה או האנודה, מה שמקנה עמידות רבה.

עם המשוואה E=MC2, איינשטיין ציין שכמות קטנה של מסה מסוגלת לשחרר כמויות עצומות של אנרגיה. הכמויות העצומות של האנרגיה משתחררות מכיוון שהן נאגרו בחומר הקטן.

אחסון בצפיפות אנרגיה גבוהה אינו קשור לנפח אלא לעיצוב חומר בתחום הקוונטי, הקרוב לקנה המידה האטומי. הסולם האטומי, הוא מה שהופך את האנרגיה הגרעינית לחזקה כל כך. ניצול לתחום האנרגיה הגבוהה הזה ללא תופעות הלוואי של קרינה רדיואקטיבית, הוא מה שאנו מציגים כעת ליצרני מערכות אחסון האנרגיה.

גודל החלקיקים הקוונטי משנה

ננו-חלקיק צריך להיות מסוגל לאסור היווצרות של גבולות גרגרים. בגודל של 10 ננומטר, רק נקע אחד או שניים יכולים להתאים בתוך גרגר. ברוב החומרים זה אומר שננו-חלקיקים הרבה מתחת ל-10 ננומטר, שכן בגדלים של ננו-חלקיקים גדולים יותר, מתחילים להופיע גבולות גרגרים משניים. לדוגמה, בחומרים כמו SnOx, הגודל הקריטי להופעת גבול התבואה הוא 7 ננומטר.

מדוע גודל זה קריטי?

גבולות גרגרים הם פגמים דו מימדיים במבנה גבישי הנוטים להפחית את המוליכות החשמלית והתרמית של חומר. רוב גבולות התבואה הם אתרים מועדפים להופעת קורוזיה.

גבולות התבואה הם גבולות בלתי עבירים עבור נקעים ומספר הנקעים בתוך ננו-חלקיק משפיע על האופן שבו מתח מצטבר בדגן הסמוך, בסופו של דבר מפעיל מקורות נקע ובכך מאפשר עיוות גם בדגן השכן.

על ידי הפחתת גודל הננו-חלקיקים, ניתן להשפיע על מספר הנקעים שנערמו בגבול התבואה ולשפר את חוזק התפוקה שלו, כלומר את המתח המרבי שהננו-חלקיק סובל לפני תחילת העיוות.

דוגמה לגודל קריטי זה ניתן לראות עם SnOx, שהוא חומר האנודה הנחקר ביותר עבור סוללות. עם רדיוס בוהר של ~ 2.7 ננומטר זה אומר ש-SnOx מוגבל בקוונטים עם קטרים ​​מתחת ל-5 ננומטר יתאים ביותר לאנודות מבוססות SnOx לעמידות מחוזקת בפני דפורמציה/ריסוק ואספקת חיי סוללה ארוכים באופן משמעותי.

יתרונות בסיסיים של חומרים קוונטיים במערכות אחסון אנרגיה:

צפיפות הספק גבוהה יותר

זמן טעינה קצר יותר

חיי מדף ארוכים יותר

פעולה בטוחה יותר

יציבות תרמית ואלקטרוכימית משופרת

עיצוב בצפיפות גבוהה יותר, קטן יותר, בעל אנרגיה גבוהה