Crystal structure and electrochemical analyses of a multi-component cocrystal of cobalt(II) complexes of pyridine-2,6-dicarboxylic acid: Improving energy storage performance of hybrid device using redox active Electrolyte

Moderne Energiespeicherung beruht auf einem empfindlichen Gleichgewicht zwischen der Menge an Leistung, die ein Gerät speichern kann, und der Geschwindigkeit, mit der es diese Leistung abgeben kann. Batterien sind exzellent darin, große Mengen an Energie über lange Zeiträume zu speichern, während Superkondensatoren hervorragend darin sind, Leistungsspitzen fast augenblicklich zu liefern. Wissenschaftler suchen seit langem nach einem Hybridgerät, das das Beste aus beiden Welten vereint: die hohe Energietätigkeit einer Batterie mit der schnellen Lade- und Entladerate eines Superkondensators. Um ein solches Gerät zu bauen, konzentrieren sich Forscher auf zwei Hauptkomponenten: die Elektrode, das feste Material, in dem Energie gespeichert wird, und den Elektrolyten, die flüssige Lösung, die es Ionen ermöglicht, sich zwischen den Elektroden zu bewegen. Während viel Aufmerksamkeit auf das Design besserer fester Elektroden gelenkt wurde, wurde der flüssige Elektrolyt oft vernachlässigt, obwohl er eine entscheidende Rolle dafür spielt, wie effizient das gesamte System arbeitet. Durch das Hinzufügen spezifischer chemischer Zusatzstoffe in den Elektrolyten ist es möglich, zusätzliche chemische Reaktionen auszulösen, die die Leistung des Geräts steigern, ohne die festen Materialien selbst zu verändern.

In einer kürzlich durchgeführten Studie untersuchten Forscher aus Pakistan und der Türkei diesen Ansatz, indem sie ein einzigartiges festes Material erschufen und es mit einem speziellen flüssigen Zusatzstoff testeten. Sie synthetisierten einen komplexen Kristall aus Kobalt, einem Metall, das für seine Fähigkeit bekannt ist, leicht zwischen verschiedenen elektrischen Zuständen zu wechseln, und einer spezifischen organischen Säure, die aus einem ringförmigen Molekül abgeleitet wurde. Als diese Inhaltsstoffe unter kontrollierten Bedingungen gemischt wurden, bildeten sie keine einzelne, einheitliche Struktur. Stattdessen wuchs der Kristall als eine dichte Ansammlung von sieben verschiedenen molekularen Gruppen, die eng zusammengepackt sind. Dieser multikomponentale Cluster enthält einzelne Metallatome, Metallpaare und Gruppen aus drei Metallatomen, die alle durch die organische Säure und Wassermoleküle miteinander verbunden sind. Die Forscher bestätigten diese komplizierte Architektur mittels Röntgenbeugung, einer Technik, die die präzise Anordnung der Atome innerhalb eines Festkörpers kartiert. Sie fanden heraus, dass der Kristall eine stabile, wohldefinierte Struktur war, die aus dreizehn Kobaltatomen besteht, die zusammenarbeiten – eine Komplexität, die darauf hindeutete, dass er interessante elektrische Eigenschaften besitzen könnte.

Um zu sehen, ob dieses Material Energie speichern kann, baute das Team eine Testzelle unter Verwendung des Kobaltkristalls als eine Elektrode und einer gängigen Form von Kohlenstoff als die andere. Zuerst testeten sie das Gerät in einem Standard-Flüssigelektrolyten, einer Basislösung, die in vielen Energieexperimenten verwendet wird. Die Ergebnisse waren vielversprechend, aber bescheiden. Das Gerät konnte eine bestimmte Menge an Energie speichern und Leistung mit einer stetigen Rate abgeben, wobei es sich ähnlich wie eine Batterie verhielt, die auch Superkondensator-Eigenschaften besitzt. Die Forscher vermuteten jedoch, dass die flüssige Lösung selbst die Leistung einschränkte. Um dies zu testen, fügten sie der Flüssigkeit einen redoxaktiven Zusatzstoff hinzu. Vereinfacht ausgedrückt ist dieser Zusatzstoff eine Chemikalie, die leicht Elektronen abgeben und wieder aufnehmen kann, und fungiert wie ein Shuttle, das die Ladung effizienter zwischen den Elektroden befördert. Bei diesem Zusatzstoff handelt es sich um eine bekannte Verbindung, die Eisen und Cyanidgruppen enthält und sicher in diesen wässrigen Lösungen verwendet werden kann.

Als die Forscher die Tests erneut mit diesem Zusatzstoff in der Flüssigkeit durchführten, sprang die Leistung des Geräts signifikant an. Die Menge der Energie, die das Gerät speichern konnte, nahm zu, und es konnte diese Energie viel schneller als zuvor freisetzen. Die Zugabe des chemischen Shuttles ermöglichte es dem Kobaltkristall, umfassender am Energiespeicherprozess teilzunehmen, was die Kapazitäten des Geräts effektiv steigerte. Das Team maß die Fähigkeit des Geräts, eine Ladung zu halten, und stellte fest, dass es nahezu die gesamte ursprüngliche Leistung auch nach tausenden von Lade- und Entladezyklen beibehielt. Diese hohe Stabilität deutet darauf hin, dass das Material langlebig ist und durch wiederholte Nutzung nicht leicht verschleißt. Die Studie analysierte auch, wie der Strom durch das System floss, und zeigte auf, dass der Zusatzstoff den Widerstand innerhalb der Flüssigkeit reduzierte, wodurch Ionen freier und schneller fließen konnten.

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass dieser spezifische kobaltbasierte Kristall ein starker Kandidat für zukünftige Energiespeichergeräte ist, aber sein wahres Potenzial erst in Kombination mit der richtigen flüssigen Umgebung entfaltet wird. Die Forschung zeigt, dass die Verbesserung des Elektrolyten genauso wichtig ist wie die Verbesserung der Elektrode. Durch das Hinzufügen eines einfachen, redoxaktiven Chemikals zur Lösung gelang es dem Team, ein gutes Energiespeichermaterial in ein hocheffizientes zu verwandeln. Das Gerät erreichte eine spezifische Kapazität von 99,3 Einheiten pro Gramm, eine Energiedichte von 35,3 Wattstunden pro Kilogramm und eine Leistungsdichte von 1280 Watt pro Kilogramm. Diese Zahlen stellen eine signifikante Verbesserung gegenüber dem ohne Zusatzstoff getesteten Gerät dar, das nur 20,4 Wattstunden pro Kilogramm und 825 Watt pro Kilogramm erreichte. Die Studie schließt mit dem Schluss, dass diese Kombination aus einem multikomponentalen Kobaltkristall und einem redoxaktiven Elektrolyten einen praktischen Weg zur Schaffung von Hybrid-Energiespeichersystemen bietet, die sowohl leistungsstark als auch langlebig sind und somit die Lücke zwischen traditionellen Batterien und Superkondensatoren schließen.