Moleculen van het zeldzame metallische element niobium kunnen worden gebruikt als moleculaire bouwstenen om elektrochemische energieopslagmaterialen te ontwerpen. Mark Rambaran, afdeling scheikunde aan de universiteit van Umeå, presenteert in zijn proefschrift een methode voor het produceren van vaste materialen uit waterige oplossingen die niobiummoleculen van nanogrootte bevatten, polyoxoniobaten genaamd.

"Deze polyoxoniobaten zijn oplosbaar in water en kunnen in grote hoeveelheden worden gesynthetiseerd. Ze fungeren als moleculaire bouwstenen, op dezelfde manier als wanneer een kind Legoblokjes stapelt", zegt Mark Rambaran. "Ze kunnen worden gebruikt om een ​​breed scala aan materialen te maken, waaronder supercondensatoren die lithium-ionopslag vergemakkelijken."

Synthese van polyoxoniobaten kan worden gedaan met microgolfstraling, omdat het een snel en efficiënt alternatief is voor conventionele hydrothermische methoden, laat Mark Rambaran zien in zijn proefschrift.

"Ze kunnen in 15 minuten worden gemaakt met microgolfstraling, wat veel korter is dan de 18 uur die nodig was bij eerdere hydrothermische methoden", zegt hij.

De moleculen ter grootte van een nanometer kunnen in water worden opgelost en door spincoating worden gecoat om dunne films van niobiumpentoxide af te zetten. Wanneer deze films worden verwarmd tot temperaturen van 200 tot 1200°C, worden oppervlakken met variërende corrosieweerstand en elektrochemische eigenschappen verkregen.

Bij hogere temperaturen worden de films kristallijn en bestand tegen zeer basische omstandigheden - en ze zijn altijd bestand tegen zuren. Deze benadering vergemakkelijkt de afzetting van alkalivrije, dunne metaaloxidefilms met variërende kristalliniteit, dikte en ruwheid.

"Deze mogelijkheid om dunne niobiumpentoxidefilms te maken, maakt het testen van pseudocapacitieve eigenschappen gemakkelijker, wat helpt bij het ontwikkelen van elektrochemische energieopslagapparaten, zoals supercondensatoren", zegt Mark Rambaran.

Door de rangschikking van de atomen in het kristallijne niobiumpentoxide creëert het kanalen die gemakkelijk de opslag en afgifte van lithiumionen kunnen opvangen gedurende meer dan honderdduizend cycli. Dit is wat het een supercondensator maakt en het biedt elektrochemische energieopslag die mogelijk een typische lithium-ionbatterij kan vervangen.

Lithium-ionbatterijen hebben over het algemeen beperkte laadopslagmogelijkheden en lange laad- of ontlaadtijden van 10 minuten of meer, terwijl supercondensatoren laadtijden van slechts 10 seconden vertonen. Het vermogen om snel op te laden en te ontladen, stelt supercondensatoren in staat om zeer snel en efficiënt energie te leveren. Bovendien biedt het gebruik van in water oplosbare polyoxoniobaten een gemakkelijke en goedaardige methode voor het maken van dunne metaaloxidefilms, waardoor het gebruik van schadelijke uitgangsmaterialen zoals niobiumpentachloride of niobiumpentafluoride wordt voorkomen.

"De interesse in het ontwikkelen van nieuwe materialen voor energieopslag wordt geleid door de noodzaak om de klimaatverandering te verminderen - de grootste en meest urgente bedreiging voor de mensheid en de biosfeer. Om dit te doen, is verbetering in de productie van zonne-/brandstofcellen en batterijen nodig om de hun elektrochemische energieopslagmogelijkheden, terwijl ze milieuvriendelijk blijven", zegt Mark Rambaran.

Onderzoek gericht op het ontwikkelen van elektrochemische energieopslagapparaten of materialen die de huidige mogelijkheden van lithium-ionbatterijen overtreffen, is daarom van cruciaal belang. Supercondensatoren worden beschouwd als geschikte kandidaten om te wedijveren met, zo niet te vervangen, lithium-ionbatterijen in termen van elektrochemische energieopslag. Huidige toepassingen van supercondensatoren zijn onder meer gebruik in elektrische voertuigen, hybride elektrische voertuigen, trams, treinen, consumentenelektronica en nog veel meer. + Verder verkennen

Wetenschappers gebruiken nieuwe methode om veelbelovend batterijmateriaal te maken