TEMEL TEKLİF

Enerji dönüşüm ve depolama sistemlerinde temel ilerlemelerin sağlanması için yeni malzeme tasarımları zorunludur. Her ikisi de küresel ısınmayı azaltma mücadelesi için hayati önem taşımaktadır; bu da çevreye zarar veren yanmalı yakıtlara bağımlılıktan arındırılmış bir enerji takviyesi gerektirmektedir.

Hafiflik, ısıya ve/veya radyasyona karşı bozulma direnci, yüksek performans ve düşük hacimli malzemelerle uzun ömürlülüğün temel bir gereklilik olduğu niş uygulamalarda enerji depolama sistemi çıktılarını iyileştirmek için kuantumla sınırlandırılmış, atomik olarak tasarlanmış malzemeler sunuyoruz.

MODİFİYE ATOM MİMARİSİ İLE ENERJİ DEPOLAMA MALZEMELERİ

Günümüz batarya/enerji depolama teknolojisinde, silisyum (Si) bazlı elektrotlar lithiation/delithiation süreçleri sırasında büyük hacim değişikliklerine maruz kalmaktadır. Bu durum, silisyum nanoyapıların toz haline gelmesine ve sonuç olarak bataryaların çevrim özelliklerinin kısalmasına neden olur.

Silisin karbür (SixC), 1400°C'ye (2552 °F) kadar gücünü koruma kapasitesiyle korozyona en dayanıklı seramiktir. Nanoyapılı ve atomik mimarili formda SixC, uzun çevrim sürelerinden sonra yapısını koruyarak oldukça yüksek sertlik sergiler. 

Lityum iyon pillerde (LIB'ler) anot malzemesi olarak kullanılan nanoyapılı SixC, üstün çevrim kararlılığı, iyi derecelendirme kapasitesi ve düşük empedans sergiler. Atomik mimariye sahip malzemenin boyutu ne kadar küçük olursa stres/gerinim toleransı da o kadar yüksek olur. Bu, tozlaşmayı en aza indirir ve bu tür atomik mimarili malzemelerin dahil edildiği bir pilin döngü ömrünü uzatır.

Atomik mimariye sahip SixC nanotüpler, yüksek sıcaklıktaki mikro-ultrakapasitörlerde uygulanabilirlik bulmaktadır; burada yapılan çalışmalar, bunların olağanüstü kararlılık ve uzun hizmet ömrü sergilediğini göstermiştir. 

Nanoteknoloji, boyut küçültme ile yüzey alanı önemli ölçüde arttığından, daha fazla işlevsellik elde etmek için daha az malzemenin gerekli olduğu, sezgiye aykırı bir alandır. Bu tür yüksek yüzey alanlı malzemelerle, özellikle kuantum-sonlandırma boyut aralığında (<20 nm), çok az kuantum malzemesi kullanarak yüksek performanslı, dayanıklı, hafif sistemler elde etmek mümkün hale gelir. Atomik mimari, kuantum malzemelerin hem işlevselliğini hem de çevresel uyumluluğunu artırmak ve böylece uygulanabilirlik kapsamlarını daha verimli ve çok yönlü hale getirmek için malzeme tasarım ve üretim süreçlerimize dahil edilen ekstra bir adımdır. İlerleme için temel hedef, bir malzemenin hacmini değil, enerji yoğunluğunu arttırmaktır.

KUANTUM ALANI

Atomik mimariye sahip nanomalzemelerin kuantum rejimindeki ilerleme hacim artışıyla ilgili değildir. Kuantum alanındaki artış, malzeme miktarından ziyade yüzey alanındaki ve dolayısıyla malzeme performansındaki artışla gerçekleşir. Bu, malzeme yüzeyinin operasyonel alanında daha fazla atomun nasıl yeniden konumlandırılacağına dair bir anlayışla yapılır. 

Kuantum malzemelerde olduğu gibi yüzey alanının hacme oranının artırılması, elektrokimyasal olarak aktif alandaki artış ve taşıma uzunluklarındaki azalma sayesinde hem enerji hem de güç yoğunluğunu iyileştirir. Daha az daha çoktur: Bu, koordine edilmemiş atomların ham enerjisinden faydalanmakla ilgilidir ve önemli faydalara açıktır. Esasen bu, doğa ile benzersiz bir işbirliğidir ve kuantum malzemeler de bu işbirliğinin kapısıdır.

Kuantumla sınırlandırılmış malzemeler daha güçlü bir operasyonel platform sunar; burada işi yapmak için sadece küçük bir malzeme gerekir. Bu tür malzemelerle daha küçük, daha hafif, ancak sağlam ve önemli ölçüde verimli dayanıklı cihazlar elde edersiniz çünkü kuantum malzemelerin boyutları, deformasyon ve kırılmanın toplu mikromekanik süreçlerine izin vermek için çok küçüktür (<20 nm), böylece döngü ömürlerini iyileştirir. 

Kuantum malzeme alanı, günümüzde nanoteknolojiyi ilerletmek için endüstriyel olarak en az keşfedilmiş, ancak en çok arzu edilen malzeme alanını temsil etmektedir. Ayrıca, endüstriyel talebi karşılamak için ölçek büyütmek bir yana, üretilmesi en zor malzeme grubunu temsil etmektedir. NANOARC bu engelin üstesinden gelmiştir ve bu nedenle çok daha ince, hafif ve daha az toksik malzeme mimarileriyle yeni nesil pil teknolojilerinin iyileştirilmesi için kuantumla sınırlandırılmış, atomik olarak tasarlanmış nanomalzemeler sunmaktadır.

KUANTUM parçacık boyutu ÖNEMLİ

Bir nanoparçacık tane sınırlarının oluşumunu engelleyebilmelidir. 10 nm'lik bir boyutta, bir tanenin içine yalnızca bir veya iki dislokasyon sığabilir. Çoğu malzemede bu, 10 nm'nin çok altındaki nanoparçacıklar anlamına gelir, çünkü daha büyük nanoparçacık boyutlarında ikincil tane sınırları ortaya çıkmaya başlar. Örneğin, SnOx gibi malzemelerde, tane sınırlarının ortaya çıkması için kritik boyut 7 nm'dir.

Bu Boyut Neden Kritik?

Tane sınırları, bir malzemenin elektriksel ve termal iletkenliğini azaltma eğiliminde olan kristal yapıdaki iki boyutlu kusurlardır. Tane sınırlarının çoğu korozyonun başlangıcı için tercihli bölgelerdir.

Tane sınırları dislokasyonlar için aşılmaz sınırlardır ve bir nanoparçacık içindeki dislokasyon sayısı, bitişik tanede stresin nasıl oluştuğunu etkiler, sonunda dislokasyon kaynaklarını aktive eder ve böylece komşu tanede de deformasyona izin verir.

Nanoparçacık boyutunu azaltarak, tane sınırında biriken dislokasyonların sayısını etkileyebilir ve akma dayanımını, yani deformasyon başlamadan önce nanoparçacığın tolere ettiği maksimum gerilimi artırabilir.

Bu kritik boyutun bir örneği, piller için en çok araştırılan anot malzemesi olan SnOx ile görülmektedir. Bohr yarıçapı ~ 2,7 nm olan bu malzeme, 5 nm'nin altındaki çaplara sahip kuantumla sınırlandırılmış SnOx'un, deformasyon/pulverizasyona karşı güçlendirilmiş direnç ve önemli ölçüde daha uzun pil ömrü sağlamak için SnOx tabanlı anotlar için en uygun olacağı anlamına gelmektedir.