Moléculas do raro elemento metálico nióbio podem ser usadas como blocos de construção molecular para projetar materiais de armazenamento de energia eletroquímica. Mark Rambaran, do Departamento de Química da Universidade de Umeå, apresenta em sua tese um método para a produção de materiais sólidos a partir de soluções aquosas contendo nanomoléculas de nióbio, chamadas polioxoniobatos.
"Esses polioxoniobatos são solúveis em água e podem ser sintetizados em grandes volumes. Eles atuam como blocos de construção molecular, da mesma forma que quando uma criança empilha peças de Lego", diz Mark Rambaran. “Eles podem ser usados ​​para fazer uma ampla gama de materiais, incluindo supercapacitores que facilitam o armazenamento de íons de lítio”.

A síntese de polioxoniobatos pode ser feita com irradiação de micro-ondas, pois é uma alternativa rápida e eficiente aos métodos hidrotermais convencionais, mostra Mark Rambaran em sua tese.

"Eles podem ser feitos em 15 minutos usando irradiação de micro-ondas, que é muito menor do que as 18 horas necessárias nos métodos hidrotérmicos anteriores", diz ele.

As moléculas de tamanho nanométrico podem ser dissolvidas em água e revestidas por rotação para depositar filmes finos de pentóxido de nióbio. Quando esses filmes são aquecidos a temperaturas que variam de 200 a 1200°C, são obtidas superfícies com resistência à corrosão e propriedades eletroquímicas variadas.

Em temperaturas mais altas, os filmes tornam-se cristalinos e resistentes a condições muito básicas – e são sempre resistentes a ácidos. Essa abordagem facilita a deposição de filmes finos de óxidos metálicos isentos de álcalis com cristalinidade, espessura e rugosidade variáveis.

"Essa capacidade de criar filmes finos de pentóxido de nióbio permite uma facilidade no teste de propriedades pseudocapacitivas, por exemplo, o que ajuda no desenvolvimento de dispositivos de armazenamento de energia eletroquímica, como supercapacitores", diz Mark Rambaran.

Devido ao arranjo dos átomos no pentóxido de nióbio cristalino, ele cria canais que podem acomodar facilmente o armazenamento e a liberação de íons de lítio por mais de cem mil ciclos. Isso é o que o torna um supercapacitor e oferece armazenamento de energia eletroquímica que pode substituir uma bateria de íons de lítio típica.

As baterias de íons de lítio tendem a ter capacidades limitadas de armazenamento de carga e longos tempos de carga ou descarga de 10 minutos ou mais, enquanto os supercapacitores exibem tempos de carregamento tão baixos quanto 10 segundos. A capacidade de carregar e descarregar rapidamente permite que os supercapacitores forneçam energia de forma muito rápida e eficiente. Além disso, o uso de polioxoniobatos solúveis em água oferece um método fácil e benigno para a criação de filmes finos de óxido metálico, o que evita o uso de materiais de partida prejudiciais como pentacloreto de nióbio ou pentafluoreto de nióbio.

"O interesse em desenvolver novos materiais para armazenamento de energia é guiado pela necessidade de mitigar as mudanças climáticas - a maior e mais urgente ameaça à humanidade e à biosfera. suas capacidades de armazenamento de energia eletroquímica, mantendo-se ambientalmente amigável", diz Mark Rambaran.

A pesquisa focada no desenvolvimento de dispositivos ou materiais de armazenamento de energia eletroquímica que exceda as capacidades atuais das baterias de íons de lítio é, portanto, crucial. Os supercapacitores são considerados candidatos adequados para rivalizar, se não substituir, as baterias de íons de lítio em termos de armazenamento de energia eletroquímica. As aplicações atuais de supercapacitores incluem usos em veículos elétricos, veículos elétricos híbridos, bondes, trens, eletrônicos de consumo e muito mais. + Explorar mais

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