مواد ذخیره‌سازی انرژی که از بلوک‌های مولکولی در ابعاد نانو ساخته شده‌اند

مولکول‌های عنصر فلزی کمیاب نظیر نیوبیم را می‌توان به‌عنوان بلوک‌های ساختمانی مولکولی برای طراحی مواد ذخیره‌کننده الکتروشیمیایی انرژی استفاده کرد.

کد خبر: ۱۰۳۵۵۴۷

پنجشنبه - ۱۴ مهر ۱۴۰۱ / October 06, 2022

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، مولکول‌های عنصر فلزی کمیاب نظیر نیوبیم را می‌توان به‌عنوان بلوک‌های ساختمانی مولکولی برای طراحی مواد ذخیره‌کننده الکتروشیمیایی انرژی استفاده کرد. مارک رامباران، از دپارتمان شیمی در دانشگاه اومئو، در پایان‌نامه خود روشی را برای تولید مواد جامد از محلول‌های آبی حاوی مولکول‌های نیوبیم در اندازه نانو به‌نام پلی اکسونیوبات‌ها ارائه می‌دهد.

مارک رامباران می‌گوید: «این پلی اکسونیوبات‌ها محلول در آب هستند و می‌توانند در حجم‌های زیاد سنتز شوند. آن‌ها به‌عنوان بلوک‌های سازنده مولکولی عمل می‌کنند، درست مانند زمانی که کودک آجر‌های لگو را روی هم می‌چیند.»

از آن‌ها می‌توان برای ساخت طیف وسیعی از مواد، از جمله ابرخازن‌هایی که ذخیره سازی لیتیوم-یون را تسهیل می‌کند، استفاده کرد. مارک رامباران در پایان‌نامه خود نشان می‌دهد که سنتز پلی اکسونیوبات‌ها را می‌توان با تابش مایکروویو انجام داد، زیرا جایگزینی سریع و کارآمد برای روش‌های گرمابی معمولی است.

او می‌گوید: «آن‌ها را می‌توان در ۱۵ دقیقه با استفاده از تابش مایکروویو ساخت، که بسیار کوتاه‌تر از ۱۸ ساعت مورد نیاز در روش‌های هیدروترمال قبلی است.»

مولکول‌های با اندازه نانومتری را می‌توان در آب حل کرد و برای رسوب لایه‌های نازک پنتوکسید نیوبیم پوشش داد. هنگامی که این فیلم‌ها تا دمای ۲۰۰ تا ۱۲۰۰ درجه سانتیگراد گرم می‌شوند، سطوحی با مقاومت خوردگی و خواص الکتروشیمیایی متفاوت به دست می‌آیند.

در دما‌های بالاتر، لایه‌ها کریستالی شده و در برابر شرایط بسیار ابتدایی مقاوم می‌شوند و همیشه در برابر اسید‌ها مقاوم هستند. مارک رامباران می‌گوید: «این توانایی برای ایجاد لایه‌های نازک پنتوکسید نیوبیوم امکان آزمایش ویژگی‌های شبه‌خازنی را آسان می‌کند، که به توسعه دستگاه‌های ذخیره انرژی الکتروشیمیایی مانند ابرخازن‌ها کمک می‌کند.»

به دلیل آرایش اتم‌ها در پنتوکسید کریستالی نیوبیم، کانال‌هایی ایجاد می‌شود که به راحتی می‌توانند ذخیره و آزادسازی یون‌های لیتیوم را برای بیش از صد هزار چرخه در خود جای دهند. این چیزی است که آن را به یک ابرخازن تبدیل می‌کند و امکان ذخیره انرژی الکتروشیمیایی را فراهم می‌کند که به طور بالقوه می‌تواند جایگزین باتری‌های لیتیوم یون معمولی شود.

باتری‌های لیتیوم یونی دارای قابلیت ذخیره‌سازی شارژ محدود و زمان شارژ یا دشارژ طولانی هستند، در حالی که ابرخازن‌ها زمان شارژ کمتر از ۱۰ ثانیه را امکان‌پذیر می‌کنند. توانایی شارژ و دشارژ سریع، به ابرخازن‌ها اجازه می‌دهد تا انرژی را بسیار سریع و کارآمد تامین کنند. علاوه بر این، استفاده از پلی اکسونیوبات‌های محلول در آب یک روش آسان برای ایجاد لایه‌های نازک اکسید فلزی ارائه می‌دهد که از استفاده از مواد اولیه مضر مانند پنتاکلرید نیوبیم یا پنتا فلوراید نیوبیم جلوگیری می‌کند.

تحقیقات متمرکز بر توسعه دستگاه‌های ذخیره‌سازی انرژی الکتروشیمیایی یا موادی که از قابلیت‌های فعلی باتری‌های لیتیوم یونی فراتر می‌رود، بسیار مهم است. ابرخازن‌ها به‌عنوان کاندیدای مناسبی برای رقابت با باتری‌های لیتیوم یونی از نظر ذخیره انرژی الکتروشیمیایی در نظر گرفته می‌شوند.