عرضنا الأساسي

تعتبر تصميمات المواد الجديدة ضرورية لتحقيق التقدم الأساسي في أنظمة تحويل الطاقة وتخزينها. وكلاهما يشكل أهمية بالغة في التصدي للتحدي المتمثل في تخفيف الانحباس الحراري العالمي، والذي يتطلب استبدال مكملات الطاقة غير المقيدة بالاعتماد على وقود الاحتراق المضر بالبيئة.

نحن نقدم مواد محصورة كميًا ومصممة ذريًا لتحسين مخرجات نظام تخزين الطاقة، في التطبيقات المتخصصة حيث تعد مقاومة التدهور الخفيف والحرارة و/أو الإشعاع والأداء العالي وطول العمر مع المواد ذات الحجم المنخفض مطلبًا أساسيًا.

مواد تخزين الطاقة ذات التصميم الذري

في تكنولوجيا تخزين الطاقة/البطارية المعاصرة، تعاني الأقطاب الكهربائية المعتمدة على السيليكون (Si) من تغيرات كبيرة في الحجم، أثناء عمليات التفتيت/الإزالة. وينتج عن ذلك سحق هياكل السيليكون النانوية، وبالتالي تقليل خصائص تدوير البطاريات.

كربيد السيليسين (SixC) هو السيراميك الأكثر مقاومة للتآكل، مع القدرة على الحفاظ على قوته حتى 1400 درجة مئوية (2552 درجة فهرنهايت). في شكل ذو بنية نانوية ومُصمم ذريًا، يُظهر SixC صلابة عالية إلى حد ما، ويحافظ على هيكله بعد فترات طويلة من التدوير.

يُظهر SixC ذو البنية النانوية المستخدم كمواد أنود في بطاريات الليثيوم أيون (LIBs) ثباتًا فائقًا في ركوب الدراجات، وقدرة تصنيف جيدة ومقاومة منخفضة. كلما كان حجم المادة المبنية ذريًا أصغر، زاد تحملها للإجهاد/الانفعال. وهذا يقلل من السحق ويطيل عمر دورة البطارية التي يتم دمج هذه المواد المصممة ذريًا فيها.

تجد الأنابيب النانوية SixC ذات التصميم الذري إمكانية التطبيق في المكثفات الفائقة الدقيقة ذات درجة الحرارة العالية، حيث أظهرت الدراسات أنها تظهر استقرارًا استثنائيًا، مع عمر خدمة طويل.

تكنولوجيا النانو هي ذلك المجال غير البديهي، حيث تكون هناك حاجة إلى كمية أقل من المواد لتحقيق المزيد من الوظائف، حيث تزداد مساحة السطح بشكل كبير، مع تصغير الحجم. مع مثل هذه المواد ذات المساحة السطحية العالية، خاصة في نطاق حجم الحبس الكمي (<20 نانومتر)، يصبح من الممكن تحقيق أنظمة عالية الأداء ومتينة وخفيفة الوزن، باستخدام القليل جدًا من المواد الكمومية. الهندسة الذرية هي الخطوة الإضافية المدمجة في عمليات تصميم وتصنيع المواد لدينا، لتعزيز كل من الوظيفة والتوافق البيئي للمواد الكمومية، مما يجعل نطاق تطبيقها أكثر كفاءة وتنوعًا. الهدف الأساسي للتقدم يكمن في زيادة كثافة الطاقة للمادة، وليس بالضرورة حجمها.

المجال الكمي

إن التقدم في النظام الكمومي للمواد النانوية المصممة ذريًا لا يتعلق بزيادة الحجم. إن الارتقاء في المجال الكمومي يأتي من خلال زيادة مساحة السطح وبالتالي أداء المادة، وليس كمية المادة. ويتم ذلك من خلال فهم كيفية إعادة وضع المزيد من الذرات في المجال التشغيلي لسطح المادة. إن زيادة نسبة مساحة السطح إلى الحجم كما هو الحال مع المواد الكمومية، يحسن كل من كثافة الطاقة والطاقة بحكم زيادة المساحة النشطة كهروكيميائيًا وتقليل أطوال النقل. الأقل هو الأكثر: يتعلق الأمر بالاستفادة من الطاقة الخام للذرات غير المنسقة، المفتوحة لاستغلالات كبيرة. في الأساس، إنه تعاون فريد مع الطبيعة، والمواد الكمومية هي البوابة.

توفر المواد المحصورة كميًا منصة تشغيلية أكثر قوة، حيث لا يتطلب الأمر سوى القليل من المواد، لإنجاز المهمة. باستخدام هذه المواد، يمكنك الحصول على أجهزة أصغر وأخف وزنًا ولكنها قوية ومتينة وفعالة بشكل كبير لأن أبعاد المواد الكمومية صغيرة جدًا (< 20 نانومتر) للسماح بعمليات التشوه والكسر الميكانيكية الضخمة وبالتالي تحسين دورة حياتها.

يمثل مجال المواد الكمومية المجال الأقل استكشافًا صناعيًا، ولكنه الأكثر رغبة في مجال المواد لتطوير تكنولوجيا النانو اليوم. كما أنها تمثل مجموعة المواد الأكثر تحديًا في التصنيع، ناهيك عن التطوير، لتغطية الطلب الصناعي. لقد تغلبت NANOARC على هذه العقبة وبالتالي تقدم هذا العرض للمواد النانوية المحصورة في الكم والمصممة ذريًا لتحسين تقنيات البطاريات من الجيل التالي، مع هياكل مادية أرق وأخف وزنًا وأقل سمية.

كمضافات نانوية لبطاريات الليثيوم أيون، توفر جسيمات النانو الكمومية حجمًا فائق الدقة ومساحات سطحية محددة عالية جدًا (SSA) مما يسمح بتوزيع المواد النانوية بشكل جيد في جميع أنحاء الكاثود أو الأنود، مما يمنحها متانة واسعة النطاق.

باستخدام المعادلة E=MC2، أشار أينشتاين إلى أن كمية صغيرة من الكتلة قادرة على إطلاق كميات هائلة من الطاقة. يتم إطلاق كميات هائلة من الطاقة لأنها مخزنة في مادة صغيرة.

لا يتعلق تخزين كثافة الطاقة العالية بالحجم بل يتعلق بتصميم المادة على النطاق الكمومي، وهو قريب من المقياس الذري. المقياس الذري هو ما يجعل الطاقة النووية قوية للغاية. الاستفادة من هذا المجال عالي الطاقة دون الآثار الجانبية للإشعاع المشع، هو ما نقدمه الآن لمصنعي أنظمة تخزين الطاقة.

حجم الجسيمات الكمي مهم

يجب أن يكون الجسيم النانوي قادرًا على منع تكوين حدود الحبيبات. عند حجم 10 نانومتر، يمكن أن يتناسب خلع واحد أو اثنين فقط داخل الحبيبة. في معظم المواد، يعني هذا الجسيمات النانوية التي يقل حجمها عن 10 نانومتر، حيث تبدأ حدود الحبيبات الثانوية في الظهور عند أحجام الجسيمات النانوية الأكبر. على سبيل المثال، في مواد مثل SnOx، يكون الحجم الحرج لظهور حدود الحبيبات 7 نانومتر.

لماذا يعد هذا الحجم حرجًا؟

حدود الحبيبات هي عيوب ثنائية الأبعاد في بنية البلورة تميل إلى تقليل التوصيل الكهربائي والحراري للمادة. معظم حدود الحبيبات هي مواقع مفضلة لبدء التآكل.

حدود الحبيبات هي حدود لا يمكن التغلب عليها للخلع وعدد الخلع داخل الجسيم النانوي يؤثر على كيفية تراكم الإجهاد في الحبيبة المجاورة، مما يؤدي في النهاية إلى تنشيط مصادر الخلع وبالتالي تمكين التشوه في الحبيبة المجاورة أيضًا.

من خلال تقليل حجم الجسيمات النانوية، يمكن للمرء أن يؤثر على عدد الخلع المتراكم عند حدود الحبيبات وتعزيز قوة خضوعها أي أقصى إجهاد يتحمله الجسيم النانوي قبل أن يبدأ التشوه.

يُرى مثال على هذا الحجم الحرج مع SnOx، وهو مادة الأنود الأكثر استكشافًا للبطاريات. مع نصف قطر بور يبلغ ~ 2.7 نانومتر، فهذا يعني أن SnOx المحصور كميًا بأقطار أقل من 5 نانومتر سيكون الأنسب للأنودات القائمة على SnOx لمقاومة معززة للتشوه/التفتت وتوفير عمر بطارية طويل بشكل كبير.