Energilagringsmaterialer bygget af molekylære blokke i nanostørrelse

Molekyler af det sjældne metalliske grundstof niob kan bruges som molekylære byggesten til at designe elektrokemiske energilagringsmaterialer. Mark Rambaran, Institut for Kemi ved Umeå Universitet, præsenterer i sit speciale en metode til fremstilling af faste materialer ud fra vandige opløsninger indeholdende niobiummolekyler i nanostørrelse, kaldet polyoxoniobater.

"Disse polyoxoniobater er vandopløselige og kan syntetiseres i store volumener. De fungerer som molekylære byggeklodser, på samme måde, som når et barn stabler legoklodser," siger Mark Rambaran. "De kan bruges til at lave en lang række materialer, inklusive superkondensatorer, der letter lithium-ion-lagring."

Syntese af polyoxoniobater kan udføres med mikrobølgebestråling, fordi det er et hurtigt og effektivt alternativ til konventionelle hydrotermiske metoder, viser Mark Rambaran i sit speciale.

"De kan laves på 15 minutter ved hjælp af mikrobølgebestråling, hvilket er meget kortere end de 18 timer, der kræves i tidligere hydrotermiske metoder," siger han.

De nanometerstore molekyler kan opløses i vand og spincoates for at afsætte tynde film af niobiumpentoxid. Når disse film opvarmes til temperaturer fra 200 til 1200°C, opnås overflader med varierende korrosionsbestandighed og elektrokemiske egenskaber.

Ved højere temperaturer bliver filmene krystallinske og modstandsdygtige over for meget basale forhold - og de er altid modstandsdygtige over for syrer. Denne fremgangsmåde letter aflejring af alkalifri, metaloxid tynde film med varierende krystallinitet, tykkelse og ruhed.

"Denne evne til at skabe tynde niobiumpentoxidfilm gør det nemt at teste pseudokapacitive egenskaber, for eksempel, hvilket hjælper med at udvikle elektrokemiske energilagringsenheder, såsom superkondensatorer," siger Mark Rambaran.

På grund af arrangementet af atomerne i det krystallinske niobiumpentoxid skaber det kanaler, der nemt kan rumme opbevaring og frigivelse af lithiumioner i mere end hundrede tusinde cyklusser. Det er det, der gør den til en superkondensator, og den tilbyder elektrokemisk energilagring, der potentielt kan erstatte et typisk lithium-ion-batteri.

Lithium-ion-batterier har en tendens til at have begrænset opladningskapacitet og lange op- eller afladningstider på 10 minutter eller mere, mens superkondensatorer udviser opladningstider så lave som 10 sekunder. Evnen til hurtigt at oplade og aflade, gør det muligt for superkondensatorer at levere energi meget hurtigt og effektivt. Desuden tilbyder brugen af ​​vandopløselige polyoxoniobater en nem og godartet metode til at skabe metaloxid tynde film, som forhindrer brugen af ​​skadelige udgangsmaterialer som niobiumpentachlorid eller niobiumpentafluorid.

"Interessen for at udvikle nye materialer til energilagring er styret af nødvendigheden af ​​at afbøde klimaændringerne - den største og mest presserende trussel mod menneskeheden og biosfæren. For at gøre dette er forbedringer i fremstillingen af ​​sol-/brændselsceller og batterier nødvendig for at forbedre deres elektrokemiske energilagringskapacitet, mens de forbliver miljøvenlige," siger Mark Rambaran.

Forskning fokuseret på at udvikle elektrokemiske energilagringsenheder eller materialer, der overstiger lithium-ion-batteriers nuværende kapacitet, er derfor afgørende. Superkondensatorer anses for at være egnede kandidater til at konkurrere med, hvis ikke erstatte, lithium-ion-batterier med hensyn til elektrokemisk energilagring. Nuværende anvendelser af superkondensatorer omfatter anvendelser i elektriske køretøjer, hybride elektriske køretøjer, sporvogne, tog, forbrugerelektronik og mange flere. + Udforsk yderligere

Forskere bruger en ny metode til at lave lovende batterimateriale