Ni–Co–S/MOF@ Functionalized MWCNT Composite as a High-Performance Electrode Material for Symmetric Supercapacitors

Das moderne Leben basiert auf einem ständigen Energiebedarf, von den Smartphones in unseren Taschen bis hin zu den Elektrofahrzeugen auf unseren Straßen. Um diese Geräte mit Strom zu versorgen, benötigen wir Wege, Elektrizität zu speichern, die sowohl schnell als auch langlebig sind. Batterien sind hervorragend darin, eine große Menge an Energie zu halten, aber sie laden langsam und können schwer sein. Auf der anderen Seite kann eine andere Technologie namens Superkondensator in Sekunden laden und entladen, was ihn perfekt für schnelle Leistungsstöße macht, aber er kann im Vergleich zu einer Batterie normalerweise viel weniger Energie speichern. Die Herausforderung für Wissenschaftler besteht darin, ein Gerät zu bauen, das das Beste aus beiden Welten vereint: die Schnelligkeit eines Superkondensators mit der hohen Energiespeicherkapazität einer Batterie. Der Schlüssel zur Lösung dieses Rätsels liegt in den Materialien, die zur Herstellung der Elektroden verwendet werden – jenen Teilen des Geräts, in denen die Elektrizität tatsächlich gespeichert wird.

Forscher haben Materialklassen wie metallorganische Gerüstverbindungen (Metal-Organic Frameworks) untersucht, die wie mikroskopische, schwammartige Käfige aus Metallatomen bestehen, die durch organische Moleküle miteinander verknüpft sind. Diese Strukturen sind voller winziger Löcher, die es Ionen, also geladenen Teilchen, ermöglichen, leicht ein- und auszuwandern. Wenn Wissenschaftler diese Käfige in Metallsulfide umwandeln, gewinnen sie die Fähigkeit, Energie durch chemische Reaktionen zu speichern, ein Prozess, der die Speicherkapazität erheblich steigert. Diese schwammartigen Strukturen haben jedoch oft zwei Probleme: Sie leiten Elektrizität nicht sehr gut und können nach mehrmaligem Laden und Entladen zerbröckeln oder zerbrechen. Um dies zu beheben, mischen Wissenschaftler sie oft mit Kohlenstoffnanoröhren, die unglaublich dünne, starke Röhren aus Kohlenstoff sind, die als Autobahn für den Elektronenfluss dienen. Die Frage bleibt, ob die Kombination dieser zwei unterschiedlichen Materialien zu einer einzigen, einheitlichen Struktur einen Superkondensator-Elektrodenkörper schaffen kann, der sowohl leistungsstark als auch langlebig ist.

Ein Forschungsteam der Universität von Kashan und der Universität von Qom in Iran setzte sich zum Ziel, dies zu beantworten, indem sie ein neues Hybridmaterial erschufen. Sie begannen mit einer Mischung aus Nickel und Kobalt, zwei Metallen, die für ihre Fähigkeit bekannt sind, an energiespeichernden chemischen Reaktionen teilzunehmen, und kombinierten sie mit einer metallorganischen Gerüstverbindung. Sie transformierten diese Struktur anschließend in ein Sulfid, eine Verbindung, die Schwefel enthält, welcher für die Energiespeicherung als hochaktiv gilt. Entscheidend war, dass sie diese Materialien nicht einfach nur miteinander vermischten; sie ließen die Metallsulfid-Strukturen direkt auf einem Netzwerk aus Kohlenstoffnanoröhren wachsen, die chemisch behandelt worden waren, um klebrige, funktionelle Gruppen auf ihrer Oberfläche zu besitzen. Dieser Prozess schuf ein einziges, integriertes Material, bei dem die energiespeichernden Metallsulfide fest an den leitfähigen Kohlenstoffröhren verankert waren, was ein Verklumpen oder Zerfallen verhinderte.

Als das Team dieses neue Verbundmaterial testete, stellte es fest, dass es außergewöhnlich gut funktionierte. In einem Standard-Labortest unter Verwendung eines Drei-Elektroden-Aufbaus zeigte das Material eine spezifische Kapazität von 82 von 820 Farad pro Gramm bei einer Stromdichte von 0,5 Ampere pro Gramm. Diese Zahl repräsentiert, wie viel elektrische Ladung das Material im Verhältnis zu seinem Gewicht halten kann. Noch wichtiger ist, dass das Material unglaublich stabil war. Nach 5.000 Lade- und Entladezyklen bei einer hohen Rate von 20 Ampere pro Gramm behielt es etwa 93 Prozent seiner ursprünglichen Kapazität. Dieses Maß an Haltbarkeit deutet darauf hin, dass das Kohlenstoffnanoröhren-Netzwerk die Metallsulfid-Strukturen erfolgreich gestützt und die physikalische Belastung, die normalerweise solche Materialien im Laufe der Zeit verschlechtert, absorbiert hat.

Um zu sehen, wie dieses Material in einem realen Gerät funktionieren würde, bauten die Forscher einen symmetrischen Superkondensator, eine vollständige Energiespeichereinheit, die aus zwei identischen Elektroden ihres Materials besteht. In diesem vollständigen Gerät erreichte das Material eine spezifische Kapazität von 335 Farad pro Gramm bei einer Stromdichte von 1,0 Ampere pro Gramm. Das Gerät lieferte zudem eine Energiedichte von 41,40 Wattstunden pro Kilogramm und eine Leistungsdichte von 720,0 Watt pro Kilogramm. Diese Zahlen zeigen an, dass das Gerät eine signifikante Menge an Energie speichern kann und gleichzeitig in der Lage ist, diese schnell abzugeben. Der Erfolg des Materials beruht darauf, wie die verschiedenen Teile zusammenwirken: Die porösen Metallsulfid-Domänen bieten eine riesige Anzahl aktiver Stellen, an denen chemische Reaktionen stattfinden können, während die funktionalisierten Kohlenstoffnanoröhren ein kontinuierliches, leitfähiges Netzwerk bilden, das sicherstellt, dass Elektronen schnell fließen können und die Struktur intakt bleibt.

Die Forscher bestätigten die Zusammensetzung und Struktur ihres Materials mithilfe verschiedener analytischer Werkzeuge. Sie untersuchten das Material unter Elektronenmikroskopen und fanden, dass die Metallsulfid-Partikel gleichmäßig über das Kohlenstoffnanoröhren-Netzwerk verteilt waren und eine dreidimensionale, poröse Struktur bildeten, die den Durchfluss von Elektrolyten ermöglichte. Die chemische Analyse zeigte, dass das Material die erwarteten Elemente Nickel, Kobalt, Schwefel, Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff in den richtigen Proportionen enthielt, ohne unerwünschte Verunreinigungen. Das Vorhandensein spezifischer chemischer Bindungen zwischen den Metallen und Schwefel sowie der funktionellen Gruppen auf den Kohlenstoffröhren bestätigte, dass die beiden Komponenten chemisch verknüpft und nicht bloß physisch gemischt waren. Diese starke Verbindung ist es, die es dem Material ermöglicht, der wiederholten Ausdehnung und Kontraktion, die beim Laden und Entladen auftritt, standzuhalten.

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass dieses ternäre Komposit, das eine metallorganische Gerüstverbindung, ein Metallsulfid und funktionalisierte Kohlenstoffnanoröhren zusammenführt, einen vielversprechenden Schritt nach vorn in der Energiespeichertechnologie darstellt. Durch die Schaffung einer Struktur, in der das leitfähige Kohlenstoffnetzwerk die aktiven Metallsulfid-Domänen stützt, haben die Forscher eine Elektrode entwickelt, die sowohl hocheffizient beim Speichern von Ladung als auch robust genug ist, um Tausende von Zyklen zu überstehen. Obwohl das Material noch kein kommerzielles Produkt ist, zeigen die Ergebnisse, dass die Kombination dieser spezifischen Komponenten auf diese präzise Weise die traditionellen Einschränkungen von Superkondensator-Materialien überwinden kann, was einen gangbaren Weg zu Geräten ebnet, die unsere zukünftige Elektronik sowohl mit Geschwindigkeit als auch mit Ausdauer mit Energie versorgen können.