纳米级分子块构建储能材料 用于超级电容器

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（Ume? 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。

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。