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

El almacenamiento de energía moderno depende de un delicado equilibrio entre cuánta potencia puede contener un dispositivo y con qué rapidez puede liberar esa potencia. Las baterías son excelentes para almacenar grandes cantidades de energía durante largos periodos, mientras que los supercapacitores sobresalen en la entrega de ráfagas de potencia de forma casi instantánea. Los científicos han buscado durante mucho tiempo un dispositivo híbrido que combine lo mejor de ambos mundos: la alta capacidad de energía de una batería con la velocidad de carga y descarga rápida de un supercapacitor. Para construir tal dispositivo, los investigadores se centran en dos componentes principales: el electrodo, que es el material sólido donde se almacena la energía, y el electrolito, la solución líquida que permite que los iones se muevan entre los electrodos. Si bien se ha prestado mucha atención al diseño de mejores electrodos sólidos, el electrolito líquido a menudo ha sido pasado por alto, a pesar de que desempeña un papel crítico en la eficiencia con la que opera todo el sistema. Al introducir aditivos químicos específicos en el electrolito, es posible desencadenar reacciones químicas adicionales que mejoren el rendimiento del dispositivo sin cambiar los materiales sólidos mismos.

En un estudio reciente, un equipo de investigadores de Pakistán y Turquía exploró este enfoque creando un material sólido único y probándolo con un aditivo líquido especial. Sintetizaron un cristal complejo hecho de cobalto, un metal conocido por su capacidad para cambiar fácilmente entre diferentes estados eléctricos, y un ácido orgánico específico derivado de una molécula en forma de anillo. Cuando estos ingredientes se mezclaron bajo condiciones controladas, no formaron una estructura única y uniforme. En su lugar, el cristal creció como un ensamblaje congestionado de siete grupos moleculares diferentes empaquetados juntos. Este grupo multicomponente contiene átomos metálicos individuales, pares de átomos metálicos y grupos de tres átomos metálicos, todos vinculados por el ácido orgánico y moléculas de agua. Los investigadores confirmaron esta intrincada arquitectura mediante la difracción de rayos X, una técnica que mapea la disposición precisa de los átomos dentro de un sólido. Descubrieron que el cristal era una estructura estable y bien definida compuesta por trece átomos de cobalto trabajando en concierto, una complejidad que sugería que podría tener propiedades eléctricas interesantes.

Para ver si este material podía almacenar energía, el equipo construyó una celda de prueba utilizando el cristal de cobalto como un electrodo y una forma común de carbono como el otro. Primero probaron el dispositivo en un electrolito líquido estándar, que es una solución básica utilizada en muchos experimentos de energía. Los resultados fueron prometedores pero modestos. El dispositivo podía almacenar una cantidad específica de energía y entregar potencia a un ritmo constante, comportándose de forma similar a una batería que también tenía rasgos de supercapacitor. Sin embargo, los investigadores sospechaban que el propio líquido estaba limitando el rendimiento. Para probar esto, añadieron un aditivo redox-activo al líquido. En términos sencillos, este aditivo es un químico que puede ceder y recuperar electrones fácilmente, actuando como un transbordador que transporta la carga de manera más eficiente entre los electrodos. Este aditivo es un compuesto bien conocido que contiene hierro y grupos de cianuro, y es seguro de usar en estas soluciones acuosas.

Cuando los investigadores realizaron las pruebas nuevamente con este aditivo en el líquido, el rendimiento del dispositivo aumentó significativamente. La cantidad de energía que el dispositivo podía almacenar aumentó, y pudo liberar esa energía mucho más rápido que antes. La adición del transbordador químico permitió que el cristal de cobalto participara más plenamente en el proceso de almacenamiento de energía, aumentando efectivamente el volumen de las capacidades del dispositivo. El equipo midió la capacidad del dispositivo para retener una carga y encontró que conservaba casi todo su rendimiento inicial incluso después de miles de ciclos de carga y descarga. Este alto nivel de estabilidad sugiere que el material es duradero y no se desgasta fácilmente con el uso repetido. El estudio también analizó cómo la electricidad se movía a través del sistema, revelando que el aditivo redujo la resistencia dentro del líquido, permitiendo que los iones fluyeran más libremente y rápidamente.

Los hallazgos indican que este cristal específico basado en cobalto es un fuerte candidato para futuros dispositivos de almacenamiento de energía, pero su verdadero potencial se desbloquea solo cuando se combina con el entorno líquido adecuado. La investigación demuestra que mejorar el electrolito es tan importante como mejorar el electrodo. Al añadir un químico redox-activo simple a la solución, el equipo fue capaz de transformar un buen material de almacenamiento de energía en uno altamente eficiente. El dispositivo alcanzó una capacidad específica de 99.3 unidades por gramo, una densidad de energía de 35.3 vatios-hora por kilogramo y una densidad de potencia de 1280 vatios por kilogramo. Estas cifras representan una mejora significativa sobre el dispositivo probado sin el aditivo, que gestionaba solo 20.4 vatios-hora por kilogramo y 825 vatios por kilogramo. El estudio concluye que esta combinación de un cristal de cobalto multicomponente y un electrolito redox-activo ofrece un camino práctico hacia la creación de sistemas de almacenamiento de energía híbridos que sean tanto potentes como duraderos, cerrando la brecha entre las baterías tradicionales y los supercapacitores.