DAS GRUNDANGEBOT

Neue Materialdesigns sind unerlässlich, um grundlegende Fortschritte bei Energieumwandlungs- und -speichersystemen zu erzielen. Beides ist von entscheidender Bedeutung für die Eindämmung der globalen Erwärmung, die eine Energieergänzung erfordert, die nicht auf umweltschädliche Verbrennungsbrennstoffe angewiesen ist. 

Wir bieten quantenbeschränkte Materialien mit atomarer Architektur zur Verbesserung von Energiespeichersystemen für Nischenanwendungen, bei denen geringes Gewicht, Beständigkeit gegen Hitze und Strahlung, hohe Leistung und Langlebigkeit bei geringem Volumen eine wesentliche Voraussetzung sind.

ATOMAR  MODIFIZIERTE  BATTERIEMATERIALIEN

In der heutigen Batterie-/Energiespeichertechnologie leiden Elektroden auf Silizium(Si)-Basis unter enormen Volumenveränderungen während der Lithiierungs-/Delithiierungsprozesse. Dies führt zu einer Pulverisierung der Silizium-Nanostrukturen und folglich zu einer Verkürzung der Zykluseigenschaften der Batterien.

Silicenkarbid (SixC) ist die korrosionsbeständigste Keramik, die ihre Festigkeit bis zu 1400°C (2552 °F) beibehält. In nanostrukturierter und atomar strukturierter Form weist SixC eine recht hohe Härte auf und behält seine Struktur auch nach langen Zykluszeiten bei. 

Nanostrukturiertes SixC, das als Anodenmaterial in Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) verwendet wird, weist eine hervorragende Zyklenstabilität, eine gute Belastbarkeit und eine niedrige Impedanz auf. Je kleiner die Größe des atomar strukturierten Materials ist, desto höher ist seine Belastbarkeit. Dies minimiert die Pulverisierung und verlängert die Lebensdauer einer Batterie, in die solche atomar strukturierten Materialien eingebaut sind.

Atomar aufgebaute SixC-Nanoröhrchen finden Anwendung in Hochtemperatur-Mikro-Ultrakondensatoren, bei denen Studien gezeigt haben, dass sie eine außergewöhnliche Stabilität und eine lange Lebensdauer aufweisen. 

Die Nanotechnologie ist ein kontraintuitiver Bereich, in dem weniger Material benötigt wird, um mehr Funktionalität zu erreichen, da die Oberfläche mit der Verkleinerung deutlich zunimmt. Mit solchen Materialien mit großer Oberfläche, insbesondere im Größenbereich der Quanteneinschränkung (< 20 nm), ist es möglich, mit sehr wenig Quantenmaterial hochleistungsfähige, langlebige und leichte Systeme herzustellen. Die atomare Architektur ist ein zusätzlicher Schritt in unseren Materialentwicklungs- und -herstellungsprozessen, um sowohl die Funktionalität als auch die Umweltverträglichkeit von Quantenmaterialien zu verbessern und damit ihren Anwendungsbereich effizienter und vielseitiger zu gestalten. Das wesentliche Ziel des Fortschritts besteht darin, die Energiedichte eines Materials zu erhöhen, nicht sein Volumen.

DER  QUANTENBEREICH

Bei den Fortschritten im Quantenbereich von Nanomaterialien mit atomarer Struktur geht es nicht um eine Vergrößerung des Volumens. Eine Steigerung im Quantenbereich erfolgt eher durch eine Vergrößerung der Oberfläche und folglich der Materialleistung als durch eine Vergrößerung der Materialmenge. Es geht darum zu verstehen, wie man mehr 

Atome im Operationsfeld der Materialoberfläche neu positionieren kann. Eine Vergrößerung des Verhältnisses von Oberfläche zu Volumen, wie es bei Quantenmaterialien der Fall ist, verbessert sowohl die Energie- als auch die Leistungsdichte durch eine Vergrößerung der elektrochemisch aktiven Fläche und eine Verringerung der Transportlängen. Weniger ist mehr: Es geht darum, die Rohenergie des unkoordinierten Atoms anzuzapfen, die für erhebliche Leistungen offen ist. 

Quantengebundene Materialien bieten eine leistungsfähigere Betriebsplattform, bei der nur wenig Material benötigt wird, um die Aufgabe zu erfüllen. Mit solchen Materialien lassen sich kleinere, leichtere, aber dennoch robuste und wesentlich effizientere langlebige Geräte herstellen, da die Abmessungen von Quantenmaterialien zu klein sind (< 20 nm), um die mikromechanischen Massenprozesse der Verformung und des Bruchs zu ermöglichen, was ihre Lebensdauer verbessert.  

Der Bereich der Quantenmaterialien ist der am wenigsten industriell erforschte, aber dennoch begehrteste Bereich von Materialien für die Weiterentwicklung der Nanotechnologie. Sie stellen auch die größte Herausforderung bei der Herstellung von Materialien dar, ganz zu schweigen von deren Vergrößerung, um den industriellen Bedarf zu decken. NANOARC hat diese Hürde überwunden und bietet daher dieses Angebot an quantenbeschränkten Nanomaterialien mit atomarer Architektur zur Verbesserung der Batterietechnologien der nächsten Generation an. 

DIE QUANTENPARTIKELGRÖẞE IST WICHTIG

Ein Nanopartikel muss die Bildung von Korngrenzen verhindern können. Bei einer Größe von 10 nm passen nur ein oder zwei Versetzungen in ein Korn. Bei den meisten Materialien bedeutet dies Nanopartikel deutlich unter 10 nm, da bei größeren Nanopartikelgrößen sekundäre Korngrenzen entstehen. Beispielsweise beträgt bei Materialien wie SnOx die kritische Größe für die Entstehung von Korngrenzen 7 nm.

Warum ist diese Größe kritisch?

Korngrenzen sind zweidimensionale Defekte in einer Kristallstruktur, die dazu neigen, die elektrische und thermische Leitfähigkeit eines Materials zu verringern. Die meisten Korngrenzen sind bevorzugte Stellen für den Beginn von Korrosion.

Korngrenzen sind unüberwindbare Grenzen für Versetzungen und die Anzahl der Versetzungen innerhalb eines Nanopartikels beeinflusst, wie sich Spannung im benachbarten Korn aufbaut, was schließlich Versetzungsquellen aktiviert und so auch eine Verformung im benachbarten Korn ermöglicht.

Durch die Reduzierung der Nanopartikelgröße kann man die Anzahl der an der Korngrenze angehäuften Versetzungen beeinflussen und deren Streckgrenze erhöhen, d. h. die maximale Spannung, die das Nanopartikel verträgt, bevor es zu Verformungen kommt.

Ein Beispiel für diese kritische Größe ist SnOx, das am häufigsten untersuchte Anodenmaterial für Batterien. Mit einem Bohr-Radius von ~ 2,7 nm bedeutet dies, dass quantenbeschränktes SnOx mit Durchmessern unter 5 nm am besten für SnOx-basierte Anoden geeignet wäre, um die Widerstandsfähigkeit gegen Verformung/Pulverisierung zu erhöhen und eine deutlich längere Batterielebensdauer zu gewährleisten.