Vue d'ensemble des différentes approches de préparation des ions polyoxométalates de niobium et de tantale et quand elles ont été rapportées. Crédit :adapté de Rambaran et al
Les molécules du niobium, un élément métallique rare, peuvent être utilisées comme blocs de construction moléculaires pour concevoir des matériaux de stockage d'énergie électrochimique. Mark Rambaran, Département de chimie de l'Université d'Umeå, présente dans sa thèse une méthode de production de matériaux solides à partir de solutions aqueuses contenant des molécules de niobium de taille nanométrique, appelées polyoxoniobates.
"Ces polyoxoniobates sont solubles dans l'eau et peuvent être synthétisés en grandes quantités. Ils agissent comme des blocs de construction moléculaires, de la même manière que lorsqu'un enfant empile des briques Lego", explique Mark Rambaran. "Ils peuvent être utilisés pour fabriquer une large gamme de matériaux, y compris des supercondensateurs qui facilitent le stockage lithium-ion."
La synthèse des polyoxoniobates peut se faire par irradiation micro-ondes, car c'est une alternative rapide et efficace aux méthodes hydrothermales conventionnelles, montre Mark Rambaran dans sa thèse.
"Ils peuvent être fabriqués en 15 minutes en utilisant l'irradiation par micro-ondes, ce qui est beaucoup plus court que les 18 heures nécessaires dans les méthodes hydrothermiques précédentes", explique-t-il.
Les molécules de taille nanométrique peuvent être dissoutes dans l'eau et enrobées par centrifugation pour déposer des films minces de pentoxyde de niobium. Lorsque ces films sont chauffés à des températures allant de 200 à 1200 °C, des surfaces avec une résistance à la corrosion et des propriétés électrochimiques variables sont obtenues.
À des températures plus élevées, les films deviennent cristallins et résistants à des conditions très basiques - et ils sont toujours résistants aux acides. Cette approche facilite le dépôt de couches minces d'oxydes métalliques sans alcali avec une cristallinité, une épaisseur et une rugosité variables.
"Cette capacité à créer des couches minces de pentoxyde de niobium permet de tester facilement les propriétés pseudocapacitives, par exemple, ce qui aide à développer des dispositifs de stockage d'énergie électrochimique, tels que des supercondensateurs", explique Mark Rambaran.
En raison de la disposition des atomes dans le pentoxyde de niobium cristallin, il crée des canaux qui peuvent facilement accueillir le stockage et la libération d'ions lithium pendant plus de cent mille cycles. C'est ce qui en fait un supercondensateur, et il offre un stockage d'énergie électrochimique qui peut potentiellement remplacer une batterie lithium-ion typique.
Les batteries lithium-ion ont généralement des capacités de stockage de charge limitées et de longs temps de charge ou de décharge de 10 minutes ou plus, tandis que les supercondensateurs présentent des temps de charge aussi bas que 10 secondes. La capacité de charger et de décharger rapidement permet aux supercondensateurs de fournir de l'énergie très rapidement et efficacement. De plus, l'utilisation de polyoxoniobates solubles dans l'eau offre une méthode simple et bénigne pour créer des films minces d'oxyde métallique, ce qui empêche l'utilisation de matières premières nocives comme le pentachlorure de niobium ou le pentafluorure de niobium.
"L'intérêt pour le développement de nouveaux matériaux pour le stockage de l'énergie est guidé par la nécessité d'atténuer le changement climatique - la menace la plus grande et la plus urgente pour l'humanité et la biosphère. Pour ce faire, l'amélioration de la fabrication des piles et batteries solaires/à combustible est nécessaire pour améliorer leurs capacités de stockage d'énergie électrochimique, tout en restant respectueux de l'environnement », déclare Mark Rambaran.
La recherche axée sur le développement de dispositifs ou de matériaux de stockage d'énergie électrochimique dépassant les capacités actuelles des batteries lithium-ion est donc cruciale. Les supercondensateurs sont considérés comme des candidats appropriés pour rivaliser, voire remplacer, les batteries lithium-ion en termes de stockage d'énergie électrochimique. Les applications actuelles des supercondensateurs incluent les utilisations dans les véhicules électriques, les véhicules électriques hybrides, les tramways, les trains, l'électronique grand public et bien d'autres. Les scientifiques utilisent une nouvelle méthode pour fabriquer un matériau de batterie prometteur
