Las moléculas del raro elemento metálico niobio se pueden utilizar como bloques de construcción moleculares para diseñar materiales de almacenamiento de energía electroquímica. Mark Rambaran, Departamento de Química de la Universidad de Umeå, presenta en su tesis un método para producir materiales sólidos a partir de soluciones acuosas que contienen moléculas de niobio de tamaño nanométrico, llamados polioxoniobatos.

"Estos polioxoniobatos son solubles en agua y se pueden sintetizar en grandes volúmenes. Actúan como bloques de construcción moleculares, de la misma manera que cuando un niño apila piezas de Lego", dice Mark Rambaran. "Se pueden utilizar para fabricar una amplia gama de materiales, incluidos los supercondensadores que facilitan el almacenamiento de iones de litio".

La síntesis de polioxoniobatos se puede hacer con irradiación de microondas, porque es una alternativa rápida y eficiente a los métodos hidrotermales convencionales, muestra Mark Rambaran en su tesis.

"Se pueden hacer en 15 minutos usando radiación de microondas, que es mucho más corto que las 18 horas necesarias en los métodos hidrotermales anteriores", dice.

Las moléculas de tamaño nanométrico pueden disolverse en agua y recubrirse por rotación para depositar películas delgadas de pentóxido de niobio. Cuando estas películas se calientan a temperaturas que oscilan entre 200 y 1200 °C, se obtienen superficies con resistencia a la corrosión y propiedades electroquímicas variables.

A temperaturas más altas, las películas se vuelven cristalinas y resistentes a condiciones muy básicas, y siempre son resistentes a los ácidos. Este enfoque facilita la deposición de películas delgadas de óxido de metal sin álcali con cristalinidad, espesor y rugosidad variables.

"Esta capacidad de crear películas delgadas de pentóxido de niobio facilita la prueba de propiedades pseudocapacitivas, por ejemplo, lo que ayuda a desarrollar dispositivos de almacenamiento de energía electroquímica, como supercondensadores", dice Mark Rambaran.

Debido a la disposición de los átomos en el pentóxido de niobio cristalino, crea canales que pueden albergar fácilmente el almacenamiento y la liberación de iones de litio durante más de cien mil ciclos. Esto es lo que lo convierte en un supercondensador y ofrece almacenamiento de energía electroquímica que potencialmente puede reemplazar una batería de iones de litio típica.

Las baterías de iones de litio tienden a tener capacidades de almacenamiento de carga limitadas y largos tiempos de carga o descarga de 10 minutos o más, mientras que los supercondensadores exhiben tiempos de carga tan bajos como 10 segundos. La capacidad de cargar y descargar rápidamente permite que los supercondensadores proporcionen energía de manera muy rápida y eficiente. Además, el uso de polioxoniobatos solubles en agua ofrece un método fácil y benigno para crear películas delgadas de óxido metálico, lo que evita el uso de materiales de partida nocivos como el pentacloruro de niobio o el pentafluoruro de niobio.

"El interés en desarrollar nuevos materiales para el almacenamiento de energía está guiado por la necesidad de mitigar el cambio climático, la mayor y más urgente amenaza para la humanidad y la biosfera. Para hacer esto, es necesario mejorar la fabricación de baterías y celdas solares/combustibles para mejorar sus capacidades de almacenamiento de energía electroquímica, sin dejar de ser respetuosos con el medio ambiente", dice Mark Rambaran.

Por lo tanto, es crucial la investigación centrada en el desarrollo de dispositivos o materiales de almacenamiento de energía electroquímica que excedan las capacidades actuales de las baterías de iones de litio. Los supercondensadores se consideran candidatos adecuados para rivalizar, si no reemplazar, las baterías de iones de litio en términos de almacenamiento de energía electroquímica. Las aplicaciones actuales de los supercondensadores incluyen usos en vehículos eléctricos, vehículos eléctricos híbridos, tranvías, trenes, electrónica de consumo y muchos más. + Explora más

Los científicos utilizan un método novedoso para fabricar material de batería prometedor