于默奥大学利用纳米级分子块构建储能材料 可用于超级电容器

盖世汽车讯 稀有金属元素铌的分子可作为分子构建块,用于电化学储能材料设计。据外媒报道,瑞典于默奥大学(Umeå University)化学系的Mark Rambaran提出一种方法,利用含有纳米尺寸铌分子的水性溶液(称为多铌酸盐,polyoxoniobates)来生产固体材料。

于默奥大学利用纳米级分子块构建储能材料 可用于超级电容器

(图片来源:于默奥大学)

Mark Rambaran表示:“这些多铌酸盐是水溶性的,可以大量合成。就像孩子堆乐高积木一样,它们可以充当分子构建块,用于制造多种材料。这些材料可用于超级电容器等设备,以优化锂离子存储。”

通过微波照射,可以合成多铌酸盐。相对于传统水热法,这种方法快速而有效。Mark Rambaran表示:“利用微波照射,15分钟即可完成相关过程。比起以前使用的水热法(需要18小时),时间要短得多。”

这种纳米尺寸分子可以在水中溶解,并通过旋涂沉积至五氧化二铌(niobium pentoxide)薄膜上。将这些薄膜加热至200-1200°C,可使表面具有不同的耐腐蚀性和电化学特性。在更高的温度下,这些薄膜会结晶,并对非常基本的条件具有耐受性,而且这些薄膜总是具有抗酸性。这种方法有利于沉积具有不同结晶度、厚度和粗糙度的无碱金属氧化物薄膜。Mark Rambaran表示:“因为能够制造五氧化二铌薄膜,测试赝电容性能变得更加容易。这有助于开发电化学储能设备,比如超级电容器。”

受益于五氧化二铌晶体的原子排列,其中的通道可以轻松容纳储存和释放的锂离子,使循环次数超过10万次。因此,将其用于超级电容器,提供电化学储能,有可能取代典型的锂离子电池。

锂离子电池的电荷储存能力有限,充放电时间长达10分钟以上。相比之下,超级电容器的充电时间仅需10秒,可以快速而有效地提供能量。此外,使用水溶性多铌酸盐来制备金属氧化物薄膜,是一种简单温和的方法,可以避免使用有害的起始材料,如五氯化铌或五氟化铌。Mark Rambaran表示:“为了减缓气候变化,人们日益关注开发新的储能材料。因此,需要改进太阳能/燃料电池及电池的制造方法,以提升电化学储能能力,同时保持环境友好性。”

在电化学储能方面,超级电容器被视为可与锂离子电池相媲美,甚至有望取代锂离子电池。目前,超级电容器的应用包括电动汽车、混合动力电动汽车、有轨电车、火车、消费电子产品等。

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