July 23, 2015

Energy

ナノサイエンスとナノテクノロジーの進歩は、科学技術のほぼすべての分野に広がっています。原子レベルおよび分子レベル(ナノメートルの範囲)で物質を操作し制御する能力、つまりナノスケールでの基本的プロセスの理解とそれによって得られた知識は革新的なプロセスに変換され、より良い製品の設計または製造につながっています。キャプチャに関して、ナノテクノロジーを使用してのシフト、転送、およびエネルギーの貯蔵があり、社会に多くの肯定的な経済的影響をもたらしています。このように重要なことは、新しい科学的現象とプロセスが現れたと言えます。
それは21世紀の人類に直面するエネルー課題に革新的、斬新な解決策のいずれかを提供することができます。

ナノテクノロジーが消費者製品の科学者やエンジニアに提供する材料の管理は、ナノテクノロジーの最も重要な側面の1つです。 これらの新技術のすべてにおいて、ナノ材料は、エネルギー貯蔵および変換プロセスの効率を高めることにより、またはデバイスの設計および性能を向上させることで、その結果、ますます積極的な役割を果たしています。

下の図は、次世代技術のための「構成要素」としてナノ構造材料を使用しているアプリケーションのいくつかを示しています。

Acorn Areaは、上記のすべてのアプリケーションでR&DおよびQCアプリケーションで使用できます。

 


エネルギー貯蔵

energy storageエネルギー貯蔵は300億ドルの市場であり成長しています。 電池のエネルギー密度を高めることは、すべての産業にとってとても重要です。 たとえば、電気自動車のバッテリーパックの重量は約700ポンド(320kg)です。 その結果、バッテリーを持ち運ぶだけで多大なエネルギーが消費されます。 電池メーカーは、より軽量でより多くのエネルギーを蓄え、より急速に充電し、長寿命で、より高い製造歩留まりを持つ電池を製造したいと考えています。新しい方法で、 100ナノメートル未満のデバイスを作成することで、ナノファブリケーションは、エネルギーを取り込み、保存し、転送することができます。 これらの性能面はすべて、粒子工学の使用によって改善することができますが、ナノファブリケーションが科学者やエンジニアに与える可能性のある固有の制御レベルは、このようなシステムを測定し定量化するためのツールを必要とします。 Acorn Areaは、ナノ粒子システムの製造と処理の両方が研究できます。


環境発電

今日の太陽電池は、さまざまなエネルギーの光を吸収するために積み重ねられたいくつかの異なる半導体材料の層を持っていますが、それでも私たちは太陽のエネルギーの40%しか使用できません。商業的に入手可能な太陽電池は、わずか15〜20%です。太陽エネルギーを収集することは、ソーラーパネルを構築する際に使用される感光性粒子の利用可能な総表面積に関連します。パーティクルエンジニアリングはパネル効率を改善する1つの方法であり、光変換の効率を高めるためにバンドギャップの連続体を有するナノ構造を使用することを含み、現在開発中の多数の異なるナノ粒子戦略が存在します。粒子をより小さくすることは、表面積を単位体積当たりより多くの光を捕捉する能力を増大させます。そして、ナノ粒子の構造を作ることは、粒子の表面化学の理解を必要とします。Acorn Areaは、表面の範囲の変化だけでなく、表面の(化学的な)性質にも敏感であり、製造プロセスを研究するための非常にセンシティブなツールを提供します。


エネルギー輸送

A点からB点へのエネルギー移動は困難です。地球には多くの自然エネルギー源がありますが、適切な量でも正しい場所にもありません。 伝送損失を削減することで、毎年何百万ドルも節約でき、ナノテクノロジーはそのような損失を減らすために、いくつかの可能性を提供します。

carbon nanotube for energy transport

ナノ粒子で作られた建築材料は、より強くすることができ 今日の材料よりも少ない体積を占めます。これにより、パイプラインおよび送電線の建設および維持に必要なフットプリントが削減されます。 エネルギー伝送システム開発に影響を及ぼす可能性のあるナノ粒子の例には、カーボンナノチューブ(CNT)、球状炭素ナノ構造(バッキーボール)フラーレンおよびナノドット(量子ドット)が含まれます。 1つの特定のタイプのCNTは、鋼より30〜100倍強力であり、ダイヤモンドよりも優れた熱伝導を示し、現在までに発見された他のどの分子よりも優れた電気伝導性を示しています。

残念ながら、最も困難な課題の一つはスケールアップです。ナノ粒子は商業的に重要な量で製造する必要があり、ナノテクベースの代替と従来のエネルギー伝達を交換するコストを正当化するために魅力的な利点があります。
Acorn Areaは、事実上あらゆる濃度のパーティクルで動作します。測定は非常に迅速に行うことができ、可動部分やアライメントがない場合Acorn Areaはフローモードで使用でき、実験室スケールでもフルスケールでも製造プロセスに従うことができます。


触媒

触媒は、エネルギー産業において様々な方法で使用されています。 触媒の効率は、粒子の表面積を増加させることによって改善されます。さらに、触媒表面は不均一です。 場合によっては、特定のドメインのみが何らかの活動をしている場合があります。トリクルフロー触媒は、精製において広範に使用されます。 これらの触媒の効率は、触媒の濡れた表面積に直接関係します。


燃料電池技術

水素燃料電池は、水素原子のプロトンから電子を分離するために貴金属触媒を必要とします。燃料電池技術の商業化への主要な要因は、コスト競争力で、支配的なコスト要因は貴金属の使用量です。

炭素担持白金触媒の使用は、プラチナ要件を大幅に削減しました。白金粒子サイズ、微結晶表面積、炭素担体上の金属分散および触媒層の多孔度は、運転環境における触媒挙動を決定する重要な特徴です。これらの特徴は、触媒合成プロセスの適切な設計によって制御することができます。試薬および炭素担体の適切な選択および改変は、触媒特性にさらに影響を及ぼす可能性があります。

しかし、このタイプの触媒は 一酸化炭素反応に対して極めて敏感なので、系内の一酸化炭素濃度を低下させるためにアルコールまたは炭化水素化合物が使用されます。これにより、装置に追加コストがかかります。ナノテクノロジーを使用して、一酸化炭素反応に対してはるかに耐性があり、プロセスの効率を向上させ コストを下げるために安価な材料で設計することができるナノ製造によって、触媒を設計することができます。ナノ粒子で得られる巨大な表面積対体積比は、本質的に粒子内部よりも表面に多くの原子が存在することを意味します。これは、燃料電池に必要とされる触媒の量を著しく減少させるために使用することができます。Acorn Areaは表面だけでなく表面の性質にも敏感であるため、触媒の活性化と触媒活性を監視するためのツールを提供します。


 

リチウム電池

Energy storage devices such as batteries utilize many coatings processes and, as such, the state of dispersion of the coating slurry is very relevant to product performance. All the comments in the Coating Applications discussion apply equally to the manufacture of energy storage devices.

The anode of a lithium battery is typically a carbon based material. Researchers work to improve the performance of batteries by altering the morphology of the carbon particles. Smaller particles are desirable because they increase the anodic surface area and correspondingly the current handling capacity. Further, the increased surface area allows the electrolyte to surround individual particles for better accessibility of the electro-active material and also better control of the movement of the liquid. Particle shape is also important as sharp edges tend to concentrate electrical stress and decomposition leading to reduced battery life.

今日、使用されている高容量および高速のカソード材料は、数十から数百ナノメートルの範囲の直径を有する一次粒子からなる凝集体(5〜15μmの範囲の粒径を有する)です。リチウムイオン輸送の観点からナノ構造材料は、ミクロンまたはサブミリメートルサイズの粒子と比較して、リチウムイオン拡散のための経路長がより短いためにより良好な容量利用および放電/充電速度を提供する。 単純な仮定の下で拡散の特徴的な時定数は、t = L2 / Dによって与えられ Lは拡散長さであり Dは拡散係数である。 したがって、インターカレーションの時間は 長さスケールの2乗として変化してより小さい粒子領域に対してはるかに速くすべきである。Acorn Areaは、これらのカソード材料の調製における凝集プロセスに従うために使用することができます。

電池製造プロセスを次の図に示します。 重要なパラメータの1つは、バインダとアノードまたはカソード材料との間の混合ステップでです。 マトリックス中の炭素またはリチウムの不十分な初期分散は、劣化した電池をもたらします。 したがって、初期分散を最適化することが最も重要です。

任意の分散プロセスを制御する2つの基本的なパラメータは、界面の程度および界面の性質(化学)です。 Acorn Areaは両方に敏感であるため、分散配合を改善するために使用することができます。

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