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

Le stockage d'énergie moderne repose sur un équilibre délicat entre la quantité de puissance qu'un dispositif peut contenir et la rapidité avec laquelle il peut libérer cette puissance. Les batteries sont excellentes pour stocker de grandes quantités d'énergie sur de longues périodes, tandis que les supercondensateurs excellent dans la fourniture de pics de puissance presque instantanés. Les scientifiques cherchent depuis longtemps un dispositif hybride qui combine le meilleur des deux mondes : la haute capacité énergétique d'une batterie et la vitesse de charge et de décharge rapide d'un supercondensateur. Pour construire un tel dispositif, les chercheurs se concentrent sur deux composants principaux : l'électrode, qui est le matériau solide où l'énergie est stockée, et l'électrolyte, la solution liquide qui permet aux ions de circuler entre les électrodes. Bien que beaucoup d'attention ait été portée à la conception de meilleures électrodes solides, l'électrolyte liquide a souvent été négligé, même s'il joue un rôle critique dans l'efficacité opérationnelle de l'ensemble du système. En introduisant des additifs chimiques spécifiques dans l'électrolyte, il est possible de déclencher des réactions chimiques supplémentaires qui augmentent les performances du dispositif sans modifier les matériaux solides eux-mêmes.

Dans une étude récente, une équipe de chercheurs du Pakistan et de Turquie a exploré cette approche en créant un matériau solide unique et en le testant avec un additif liquide spécial. Ils ont synthétisé un cristal complexe composé de cobalt, un métal connu pour sa capacité à basculer facilement entre différents états électriques, et un acide organique spécifique dérivé d'une molécule en forme d'anneau. Lorsque ces ingrédients ont été mélangés dans des conditions contrôlées, ils n'ont pas formé une structure unique et uniforme. Au lieu de cela, le cristal a grandi sous la forme d'un assemblage encombré de sept groupes moléculaires différents compactés ensemble. Ce groupe multi-composants contient des atomes métalliques isolés, des paires d'atomes métalliques et des groupes de trois atomes métalliques, tous liés par l'acide organique et des molécules d'eau. Les chercheurs ont confirmé cette architecture complexe grâce à la diffraction des rayons X, une technique qui cartographie l'arrangement précis des atomes au sein d'un solide. Ils ont découvert que le cristal était une structure stable et bien définie composée de treize atomes de cobalt travaillant de concert, une complexité qui suggérait qu'il pourrait posséder des propriétés électriques intéressantes.

Pour voir si ce matériau pouvait stocker de l'énergie, l'équipe a construit une cellule de test en utilisant le cristal de cobalt comme une électrode et une forme courante de carbone pour l'autre. Ils ont d'abord testé le dispositif dans un électrolyte liquide standard, qui est une solution basique utilisée dans de nombreuses expériences énergétiques. Les résultats étaient prometteurs mais modestes. Le dispositif pouvait stocker une quantité spécifique d'énergie et délivrer de la puissance à un rythme régulier, se comportant un peu comme une batterie possédant également des traits de supercondensateur. Cependant, les chercheurs soupçonnaient que la solution liquide elle-même limitait la performance. Pour tester cela, ils ont ajouté un additif rédox-actif au liquide. En termes simples, cet additif est un produit chimique capable de donner et de reprendre facilement des électrons, agissant comme une navette qui transporte la charge plus efficacement entre les électrodes. Cet additif est un composé bien connu contenant du fer et des groupes de cyanure, qui est sûr à utiliser dans ces solutions aqueuses.

Lorsque les chercheurs ont effectué les tests à nouveau avec cet additif dans le liquide, les performances du dispositif ont bondi de manière significative. La quantité d'énergie que le dispositif pouvait stocker a augmenté, et il pouvait libérer cette énergie beaucoup plus rapidement qu'auparavant. L'ajout de la navette chimique a permis au cristal de cobalt de participer plus pleinement au processus de stockage d'énergie, augmentant efficacement le volume des capacités du dispositif. L'équipe a mesuré la capacité du dispositif à maintenir une charge et a constaté qu'il conservait presque toute sa performance initiale même après des milliers de cycles de charge et de décharge. Ce haut niveau de stabilité suggère que le matériau est durable et ne s'use pas facilement par une utilisation répétée. L'étude a également analysé comment l'électricité circulait à travers le système, révélant que l'additif réduisait la résistance au sein du liquide, permettant aux ions de circuler plus librement et plus rapidement.

Les conclusions indiquent que ce cristal spécifique à base de cobalt est un candidat sérieux pour les futurs dispositifs de stockage d'énergie, mais son véritable potentiel n'est débloqué que lorsqu'il est associé au bon environnement liquide. La recherche démontre qu'améliorer l'électrolyte est tout aussi important que d'améliorer l'électrode. En ajoutant un simple produit chimique rédox-actif à la solution, l'équipe a pu transformer un bon matériau de stockage d'énergie en un matériau hautement efficace. Le dispositif a atteint une capacité spécifique de 99,3 unités par gramme, une densité énergétique de 35,3 wattheures par kilogramme et une densité de puissance de 1280 watts par kilogramme. Ces chiffres représentent une amélioration significative par rapport au dispositif testé sans l'additif, qui ne gérait que 20,4 wattheures par kilogramme et 825 watts par kilogramme. L'étude conclut que cette combinaison d'un cristal de cobalt multi-composant et d'un électrolyte rédox-actif offre une voie pratique vers la création de systèmes de stockage d'énergie hybrides qui soient à la fois puissants et durables, comblant ainsi le fossé entre les batteries traditionnelles et les supercondensateurs.