Panoramica dei diversi approcci per la preparazione di ioni poliossometallato di niobio e tantalio e quando sono stati riportati. Credito:adattato da Rambaran et al
Le molecole del raro elemento metallico niobio possono essere utilizzate come elementi costitutivi molecolari per progettare materiali di accumulo di energia elettrochimica. Mark Rambaran, Dipartimento di Chimica dell'Università di Umeå, presenta nella sua tesi un metodo per produrre materiali solidi da soluzioni acquose contenenti molecole di niobio di dimensioni nanometriche, chiamate poliossoniobati.
"Questi poliossoniobati sono solubili in acqua e possono essere sintetizzati in grandi volumi. Agiscono come mattoni molecolari, allo stesso modo di quando un bambino impila i mattoncini Lego", afferma Mark Rambaran. "Possono essere utilizzati per realizzare un'ampia gamma di materiali, compresi i supercondensatori che facilitano lo stoccaggio degli ioni di litio."
La sintesi dei poliossoniobati può essere eseguita con l'irradiazione a microonde, perché è un'alternativa rapida ed efficiente ai metodi idrotermali convenzionali, mostra Mark Rambaran nella sua tesi.
"Possono essere realizzati in 15 minuti utilizzando l'irradiazione a microonde, che è molto più breve delle 18 ore necessarie nei precedenti metodi idrotermali", afferma.
Le molecole di dimensioni nanometriche possono essere sciolte in acqua e ricoperte per rotazione per depositare film sottili di pentossido di niobio. Quando questi film vengono riscaldati a temperature comprese tra 200 e 1200°C, si ottengono superfici con resistenza alla corrosione e proprietà elettrochimiche variabili.
A temperature più elevate, i film diventano cristallini e resistenti a condizioni molto basiche e sono sempre resistenti agli acidi. Questo approccio facilita la deposizione di film sottili di ossido di metallo privi di alcali con cristallinità, spessore e rugosità variabili.
"Questa capacità di creare film sottili di pentossido di niobio consente di testare facilmente le proprietà pseudocapacitive, ad esempio, il che aiuta nello sviluppo di dispositivi di accumulo di energia elettrochimici, come i supercondensatori", afferma Mark Rambaran.
Grazie alla disposizione degli atomi nel pentossido di niobio cristallino, crea canali che possono facilmente ospitare l'immagazzinamento e il rilascio di ioni di litio per più di centomila cicli. Questo è ciò che lo rende un supercondensatore e offre un accumulo di energia elettrochimica che può potenzialmente sostituire una tipica batteria agli ioni di litio.
Le batterie agli ioni di litio tendono ad avere capacità di accumulo di carica limitate e lunghi tempi di carica o scarica di 10 minuti o più, mentre i supercondensatori mostrano tempi di ricarica fino a 10 secondi. La capacità di caricare e scaricare rapidamente, consente ai supercondensatori di fornire energia in modo molto rapido ed efficiente. Inoltre, l'uso di poliossoniobati solubili in acqua offre un metodo facile e benigno per creare film sottili di ossido di metallo, che impedisce l'uso di materiali di partenza dannosi come pentacloruro di niobio o pentafluoruro di niobio.
"L'interesse nello sviluppo di nuovi materiali per l'accumulo di energia è guidato dalla necessità di mitigare il cambiamento climatico, la minaccia più grande e più urgente per l'umanità e la biosfera. Per fare ciò, è necessario migliorare la produzione di celle e batterie solari/a combustibile per migliorare le loro capacità di accumulo di energia elettrochimica, pur rimanendo rispettosi dell'ambiente", afferma Mark Rambaran.
La ricerca incentrata sullo sviluppo di dispositivi o materiali di accumulo di energia elettrochimica che eccedano le attuali capacità delle batterie agli ioni di litio è quindi fondamentale. I supercondensatori sono considerati candidati idonei per competere, se non sostituire, le batterie agli ioni di litio in termini di accumulo di energia elettrochimica. Le attuali applicazioni dei supercondensatori includono l'uso in veicoli elettrici, veicoli elettrici ibridi, tram, treni, elettronica di consumo e molti altri. + Esplora ulteriormente
