HET BASISAANBOD

Nieuwe materiaalontwerpen zijn noodzakelijk om de fundamentele vooruitgang in energieomzettings- en opslagsystemen te bereiken. Beide zijn van vitaal belang om de opwarming van de aarde tegen te gaan, waarvoor een energieaanvulling nodig is die niet meer afhankelijk is van verbrandingsbrandstoffen die schadelijk zijn voor het milieu.

Wij bieden kwantumgeconcentreerde, atomair geordende materialen voor de verbetering van energieopslagsystemen in nichetoepassingen waar lichtgewicht, hitte- en stralingsbestendigheid, hoge prestaties en een lange levensduur met materialen met een laag volume een essentiële vereiste zijn.

ATOMAIR-ARCHITECTUUR MATERIALEN VOOR ENERGIEOPSLAG

In de hedendaagse batterij/energieopslagtechnologie hebben silicium(Si)-gebaseerde elektroden te lijden onder enorme volumeveranderingen tijdens de lithiatie/delithiatieprocessen. Dit resulteert in de verpulvering van silicium nanostructuren en bijgevolg in een verkorting van de cyclische eigenschappen van de batterijen.

Siliceencarbide (SixC) is de meest corrosiebestendige keramiek, met de capaciteit om zijn sterkte te behouden tot 1400°C (2552 °F). In een nanogestructureerde en atomair-gearchitectureerde vorm vertoont SixC een vrij hoge hardheid, waarbij de structuur behouden blijft na lange cyclustijden. 

SixC met nanostructuur dat als anodemateriaal in lithium-ionbatterijen (LIB's) wordt gebruikt, vertoont een superieure cyclusvastheid, een goed ratingvermogen en een lage impedantie. Hoe kleiner de afmetingen van het atomair-gestructureerde materiaal, hoe hoger de spannings-/rekstolerantie. Dit minimaliseert verpulvering en verlengt de cyclusduur van een batterij waarin dergelijke atomair gearchitectureerde materialen zijn verwerkt.

SixC-nanobuisjes met atomaire structuur zijn toepasbaar in micro-ultracapacitoren die bij hoge temperaturen werken, en uit studies is gebleken dat zij uitzonderlijk stabiel zijn en een lange levensduur hebben. 

Nanotechnologie is een contra-intuïtief domein, waarin minder materiaal nodig is om meer functionaliteit te bereiken, aangezien het oppervlak aanzienlijk toeneemt naarmate de afmetingen worden verkleind. Met materialen met zo'n groot oppervlak, vooral in het bereik van de quantum-confinementgrootte (< 20 nm), wordt het mogelijk om duurzame, lichtgewicht systemen met hoge prestaties te realiseren, met gebruikmaking van zeer weinig quantum-materiaal. Atomaire architectuur is de extra stap die wordt opgenomen in onze materiaalontwerp- en fabricageprocessen, om zowel de functionaliteit als de milieucompatibiliteit van quantummaterialen te verbeteren, en zo hun toepassingsgebied efficiënter en veelzijdiger te maken. Het essentiële doel voor vooruitgang ligt in het verhogen van de energiedichtheid van een materiaal, niet noodzakelijkerwijs het volume ervan.

HET KWANTUMDOMEIN

Vooruitgang in het kwantumregime van atomair-gearchitectureerde nanomaterialen gaat niet over volumevergroting. Opschaling in het kwantumdomein komt meer door een vergroting van het oppervlak en daardoor van de materiaalprestaties, dan door de hoeveelheid materiaal. Het wordt gedaan met een begrip van hoe meer atomen te herpositioneren in het operationele veld van het materiaaloppervlak. Het vergroten van de oppervlakte-volumeverhouding, zoals het geval is bij kwantummaterialen, 

verbetert zowel de energie- als de vermogensdichtheid door een vergroting van het elektrochemisch actieve gebied en een verkorting van de transportlengten. Minder is meer: Het gaat om het aanboren van de ruwe energie van de ongecoördineerde atomen, die openstaat voor substantiële exploitaties. In wezen gaat het om een unieke samenwerking met de natuur, en kwantummaterialen vormen de toegangspoort.

Kwantumgebonden materialen bieden een krachtiger operationeel platform, waarbij er maar weinig materiaal nodig is om de klus te klaren. Met dergelijke materialen kunnen kleinere, lichtere, maar toch robuuste en substantieel efficiënte duurzame apparaten worden gemaakt, omdat de afmetingen van quantummaterialen te klein zijn (< 20 nm) om de micromechanische processen van vervorming en breuk in de bulk mogelijk te maken, waardoor hun levensduur wordt verbeterd. 

Het domein van de kwantummaterialen vertegenwoordigt het minst industrieel onderzochte, maar toch meest gewenste domein van materialen voor de vooruitgang van de nanotechnologie van vandaag. Het is ook de moeilijkste materiaalsoort om te vervaardigen, laat staan op te schalen, om aan de industriële vraag te voldoen. NANOARC heeft deze hindernis overwonnen en komt daarom met dit aanbod van kwantumgeconcentreerde, atomair-gearchitectureerde nanomaterialen voor de verbetering van de volgende generatie batterijtechnologieën, met veel dunnere, lichtere en minder toxische materiaalarchitecturen.

De grootte van de kwantumdeeltjes is van belang

Een nanodeeltje moet de vorming van korrelgrenzen kunnen voorkomen. Bij een grootte van 10 nm passen er slechts één of twee dislocaties in een korrel. In de meeste materialen betekent dit nanodeeltjes die ruim onder de 10 nm liggen, omdat bij grotere nanodeeltjesgroottes secundaire korrelgrenzen ontstaan. In materialen zoals SnOx is de kritische grootte voor het ontstaan ​​van korrelgrenzen bijvoorbeeld 7 nm.

Waarom is deze grootte kritisch?

Korrelgrenzen zijn tweedimensionale defecten in een kristalstructuur die de elektrische en thermische geleidbaarheid van een materiaal verminderen. De meeste korrelgrenzen zijn voorkeurslocaties voor het ontstaan van corrosie.

Korrelgrenzen zijn onoverkomelijke grenzen voor dislocaties en het aantal dislocaties binnen een nanodeeltje beïnvloedt hoe spanning zich opbouwt in de aangrenzende korrel, waardoor uiteindelijk dislocatiebronnen worden geactiveerd en dus ook vervorming in de aangrenzende korrel mogelijk wordt.

Door de grootte van de nanodeeltjes te verkleinen, kan men het aantal dislocaties beïnvloeden dat zich ophoopt bij de korrelgrens en de vloeigrens verbeteren, d.w.z. de maximale spanning die het nanodeeltje verdraagt voordat de vervorming begint.

Een voorbeeld van deze kritische grootte is te zien bij SnOx, het meest onderzochte anodemateriaal voor batterijen. Met een bohrstraal van ~ 2,7 nm betekent dit dat kwantumgeconfundeerd SnOx met diameters kleiner dan 5 nm het meest geschikt zou zijn voor op SnOx gebaseerde anoden voor een versterkte weerstand tegen vervorming/pulverisatie en een aanzienlijk langere levensduur van de batterij.