稀有金屬元素鈮的分子可作為分子構(gòu)建塊,用于電化學(xué)儲(chǔ)能材料設(shè)計(jì)。據(jù)外媒報(bào)道,瑞典于默奧大學(xué)(Ume? University)化學(xué)系的Mark Rambaran提出一種方法,利用含有納米尺寸鈮分子的水性溶液(稱為多鈮酸鹽,polyoxoniobates)來生產(chǎn)固體材料。
圖片來源:于默奧大學(xué)
Mark Rambaran表示:“這些多鈮酸鹽是水溶性的,可以大量合成。就像孩子堆樂高積木一樣,它們可以充當(dāng)分子構(gòu)建塊,用于制造多種材料。這些材料可用于超級(jí)電容器等設(shè)備,以優(yōu)化鋰離子存儲(chǔ)。”
通過微波照射,可以合成多鈮酸鹽。相對(duì)于傳統(tǒng)水熱法,這種方法快速而有效。Mark Rambaran表示:“利用微波照射,15分鐘即可完成相關(guān)過程。比起以前使用的水熱法(需要18小時(shí)),時(shí)間要短得多。”
這種納米尺寸分子可以在水中溶解,并通過旋涂沉積至五氧化二鈮(niobium pentoxide)薄膜上。將這些薄膜加熱至200-1200°C,可使表面具有不同的耐腐蝕性和電化學(xué)特性。在更高的溫度下,這些薄膜會(huì)結(jié)晶,并對(duì)非常基本的條件具有耐受性,而且這些薄膜總是具有抗酸性。這種方法有利于沉積具有不同結(jié)晶度、厚度和粗糙度的無堿金屬氧化物薄膜。Mark Rambaran表示:“因?yàn)槟軌蛑圃煳逖趸壉∧ぃ瑴y(cè)試贗電容性能變得更加容易。這有助于開發(fā)電化學(xué)儲(chǔ)能設(shè)備,比如超級(jí)電容器。”
受益于五氧化二鈮晶體的原子排列,其中的通道可以輕松容納儲(chǔ)存和釋放的鋰離子,使循環(huán)次數(shù)超過10萬次。因此,將其用于超級(jí)電容器,提供電化學(xué)儲(chǔ)能,有可能取代典型的鋰離子電池。
鋰離子電池的電荷儲(chǔ)存能力有限,充放電時(shí)間長(zhǎng)達(dá)10分鐘以上。相比之下,超級(jí)電容器的充電時(shí)間僅需10秒,可以快速而有效地提供能量。此外,使用水溶性多鈮酸鹽來制備金屬氧化物薄膜,是一種簡(jiǎn)單溫和的方法,可以避免使用有害的起始材料,如五氯化鈮或五氟化鈮。Mark Rambaran表示:“為了減緩氣候變化,人們?nèi)找骊P(guān)注開發(fā)新的儲(chǔ)能材料。因此,需要改進(jìn)太陽能/燃料電池及電池的制造方法,以提升電化學(xué)儲(chǔ)能能力,同時(shí)保持環(huán)境友好性。”
在電化學(xué)儲(chǔ)能方面,超級(jí)電容器被視為可與鋰離子電池相媲美,甚至有望取代鋰離子電池。目前,超級(jí)電容器的應(yīng)用包括電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車、有軌電車、火車、消費(fèi)電子產(chǎn)品等。