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由纳米级分子块构建的储能材料

稀有金属元素铌的分子可作为分子结构单元设计电化学储能材料。于默奥大学化学系的MarkRambaran在他的论文中介绍了一种从含有纳米级铌分子(称为聚氧铌酸盐)的水溶液中生产固体材料的方法。

“这些聚氧铌酸盐是水溶性的,可以大量合成。它们充当分子构件,就像孩子叠乐高积木时一样,”马克兰巴兰说。“它们可用于制造多种材料,包括促进锂离子存储的超级电容器。”

MarkRambaran在他的论文中指出,聚氧铌酸盐的合成可以通过微波辐射完成,因为它是传统水热方法的快速有效替代品。

“它们可以使用微波辐射在15分钟内制成,这比以前的水热法所需的18小时要短得多,”他说。

纳米尺寸的分子可以溶解在水中并旋涂以沉积五氧化二铌薄膜。当这些薄膜被加热到200到1200°C的温度范围内时,可以获得具有不同耐腐蚀性和电化学性能的表面。

在更高的温度下,这些薄膜会变成结晶并能抵抗非常碱性的条件——而且它们总是能抵抗酸。这种方法有助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。

“这种制造五氧化二铌薄膜的能力可以轻松测试赝电容特性,例如,这有助于开发电化学储能装置,例如超级电容器,”MarkRambaran说。

由于结晶五氧化二铌中原子的排列方式,它形成了可以轻松容纳锂离子储存和释放十万次以上循环的通道。这就是使它成为超级电容器的原因,它提供了电化学能量存储,有可能取代典型的锂离子电池。

锂离子电池往往具有有限的电荷存储能力和10分钟或更长时间的长充电或放电时间,而超级电容器的充电时间低至10秒。快速充电和放电的能力使超级电容器能够非常快速有效地提供能量。此外,水溶性聚氧铌酸盐的使用为制造金属氧化物薄膜提供了一种简单且良性的方法,可防止使用五氯化铌或五氟化铌等有害起始材料。

“开发用于储能的新材料的兴趣源于减缓气候变化的必要性——这是对人类和生物圈最大和最紧迫的威胁。为此,有必要改进太阳能/燃料电池和电池的制造,以增强他们的电化学储能能力,同时保持环保,”马克兰巴兰说。

因此,专注于开发超越锂离子电池当前能力的电化学储能设备或材料的研究至关重要。在电化学储能方面,超级电容器被认为是与锂离子电池竞争(如果不能替代)的合适候选者。超级电容器目前的应用包括电动汽车、混合动力电动汽车、有轨电车、火车、消费电子产品等等。

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