L'OFFERTA DI BASE

I nuovi design dei materiali sono imperativi per raggiungere i progressi fondamentali nei sistemi di conversione e immagazzinamento dell'energia. Entrambi sono vitali per la sfida di mitigare il riscaldamento globale, che richiede una susbtitution di integrazione energetica slegata dalla dipendenza da combustibili a combustione compromettenti per l'ambiente.

Offriamo materiali a confinamento quantico e ad architettura atomica per migliorare i risultati dei sistemi di immagazzinamento dell'energia, in applicazioni di nicchia in cui la leggerezza, la resistenza al calore e alla degradazione delle radiazioni, le alte prestazioni e la longevità con materiali a basso volume sono un requisito essenziale.

MATERIALI PER L'ACCUMULO DI ENERGIA ARCHITETTATI ATOMICAMENTE

Nella tecnologia contemporanea delle batterie/accumulo di energia, gli elettrodi a base di silicio (Si) soffrono di enormi cambiamenti di volume durante i processi di litiazione/delitizzazione. Questo si traduce nella polverizzazione delle nanostrutture di silicio e, di conseguenza, in un accorciamento delle proprietà ciclistiche delle batterie.

Il Carburo di silicene (SixC) è la ceramica più resistente alla corrosione, con la capacità di mantenere la sua resistenza fino a 1400°C (2552 °F). In forma nanostrutturata e atomicamente architettata, il SixC esibisce una durezza piuttosto elevata, conservando la sua struttura dopo lunghi tempi di ciclaggio. 

Il SixC nanostrutturato usato come materiale anodico nelle batterie agli ioni di litio (LIB) mostra una stabilità ciclistica superiore, una buona capacità di valutazione e una bassa impedenza. Più piccole sono le dimensioni del materiale ad architettura atomica, maggiore è la sua tolleranza a stress/deformazione. Questo minimizza la polverizzazione ed estende la durata del ciclo di una batteria in cui sono incorporati tali materiali ad architettura atomica.

I nanotubi di SixC architettati atomicamente trovano applicazione nei micro-ultracapacitori ad alta temperatura, dove gli studi hanno dimostrato che presentano un'eccezionale stabilità, con una lunga durata di vita. 

La nanotecnologia è quel dominio controintuitivo, in cui è richiesto meno materiale per ottenere più funzionalità, poiché l'area superficiale aumenta significativamente, con la miniaturizzazione delle dimensioni. Con tali materiali ad alta area superficiale, specialmente nella gamma di dimensioni di confinamento quantico (< 20 nm), diventa possibile ottenere sistemi ad alte prestazioni, durevoli e leggeri, usando pochissimo materiale quantico. L'architettura atomica è il passo in più incorporato nei nostri processi di progettazione e fabbricazione dei materiali, per aumentare sia la funzionalità che la compatibilità ambientale dei materiali quantistici, rendendo così il loro campo di applicazione più efficiente e versatile. L'obiettivo essenziale per il progresso risiede nell'aumentare la densità energetica di un materiale, non il suo volume.

IL DOMINIO QUANTISTICO

Il progresso nel regime quantistico dei nanomateriali ad architettura atomica non riguarda l'aumento del volume. L'upscale nel dominio quantistico avviene più attraverso un aumento dell'area superficiale e di conseguenza delle 

prestazioni del materiale, piuttosto che della quantità del materiale. Si fa con la comprensione di come riposizionare più atomi nel campo operativo della superficie del materiale. L'aumento del rapporto superficie/volume, come nel caso dei materiali quantistici, migliora sia l'energia che la densità di potenza in virtù di un aumento dell'area elettrochimicamente attiva e di una riduzione delle lunghezze di trasporto. Meno è più: Si tratta di attingere all'energia grezza dell'atomo non coordinato, aperto per sfruttamenti sostanziali. 

I materiali confinati quantisticamente offrono una piattaforma operativa più potente, in cui basta poco materiale, per ottenere il lavoro fatto. Con tali materiali, si ottengono dispositivi durevoli più piccoli, più leggeri, ma robusti e sostanzialmente efficienti, perché le dimensioni dei materiali quantistici sono troppo piccole (< 20 nm) per permettere i processi micromeccanici di deformazione e frattura alla rinfusa, migliorando così la loro vita di ciclo. 

Il dominio dei materiali quantistici rappresenta il regno dei materiali meno esplorato industrialmente, ma più desiderato per il progresso della nanotecnologia oggi. Essi rappresentano anche l'insieme più impegnativo di materiali da produrre, per non parlare dell'upscale, per coprire la domanda industriale. NANOARC ha superato l'ostacolo e quindi fa questa offerta di nanomateriali quantisticamente confinati e atomicamente architettati per il miglioramento delle tecnologie delle batterie di prossima generazione. 

LE DIMENSIONI DELLE PARTICELLE QUANTISTICHE CONTANO

Una nanoparticella deve essere in grado di impedire la formazione di confini di grano. A una dimensione di 10 nm, solo una o due dislocazioni possono adattarsi all'interno di un grano. Nella maggior parte dei materiali ciò significa nanoparticelle ben al di sotto di 10 nm, poiché a dimensioni di nanoparticelle maggiori, i confini di grano secondari iniziano a emergere. Ad esempio, in materiali come SnOx, la dimensione critica per l'emersione dei confini di grano è di 7 nm.

Perché questa dimensione è critica?

I confini di grano sono difetti bidimensionali in una struttura cristallina che tendono a ridurre la conduttività elettrica e termica di un materiale. La maggior parte dei confini di grano sono siti preferenziali per l'inizio della corrosione.

I confini di grano sono confini insormontabili per le dislocazioni e il numero di dislocazioni all'interno di una nanoparticella influenza il modo in cui lo stress si accumula nel grano adiacente, attivando alla fine le fonti di dislocazione e consentendo così anche la deformazione nel grano vicino.

Riducendo le dimensioni delle nanoparticelle, si può influenzare il numero di dislocazioni accumulate al confine del grano e aumentare la sua resistenza allo snervamento, ovvero la massima sollecitazione che la nanoparticella tollera prima che inizi la deformazione.

Un esempio di questa dimensione critica si vede con SnOx, che è il materiale anodico più esplorato per le batterie. Con un raggio di Bohr di ~ 2,7 nm, significa che SnOx confinato quantisticamente con diametri inferiori a 5 nm sarebbe il più adatto per gli anodi basati su SnOx per una maggiore resistenza alla deformazione/polverizzazione e la fornitura di una durata della batteria significativamente estesa.