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

आधुनिक ऊर्जा भंडारण एक उपकरण कितनी शक्ति (पावर) रख सकता है और वह उस शक्ति को कितनी तेज़ी से रिलीज़ कर सकता है, इसके बीच एक नाजुक संतुलन पर निर्भर करता है। बैटरियाँ लंबी अवधि के लिए ऊर्जा की बड़ी मात्रा संग्रहीत करने में उत्कृष्ट होती हैं, जबकि सुपरकैपेसिटर लगभग तुरंत शक्ति के झोंके देने में माहिर होते हैं। वैज्ञानिक लंबे समय से एक ऐसे हाइब्रिड उपकरण की तलाश में रहे हैं जो दोनों दुनियाओं की सर्वश्रेष्ठ विशेषताओं को जोड़ सके: बैटरी की उच्च ऊर्जा क्षमता और सुपरकैपेसिटर की तीव्र चार्जिंग और डिस्चार्जिंग गति। ऐसे उपकरण को बनाने के लिए, शोधकर्ता दो मुख्य घटकों पर ध्यान केंद्रित करते हैं: इलेक्ट्रोड, जो वह ठोस सामग्री है जहाँ ऊर्जा संग्रहीत होती है, और इलेक्ट्रोलाइट, वह तरल घोल जो इलेक्ट्रोड्स के बीच आयनों को घूमने की अनुमति देता है। हालांकि बेहतर ठोस इलेक्ट्रोड डिजाइन करने पर बहुत ध्यान दिया गया है, लेकिन तरल इलेक्ट्रोलाइट को अक्सर अनदेखा किया गया है, भले ही यह एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है कि पूरा सिस्टम कितनी कुशलता से संचालित होता है। इलेक्ट्रोलाइट में विशिष्ट रासायनिक एडिटिव्स (योजक) पेश करके, ऐसी अतिरिक्त रासायनिक प्रतिक्रियाओं को सक्रिय करना संभव है जो ठोस सामग्रियों को बदले बिना डिवाइस के प्रदर्शन को बढ़ा देती हैं।

हाल ही में, पाकिस्तान और तुर्की के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस दृष्टिकोण का पता लगाने के लिए एक अनूठी ठोस सामग्री बनाई और एक विशेष तरल एडिटिव के साथ इसका परीक्षण किया। उन्होंने कोबाल्ट से बना एक जटिल क्रिस्टल संश्लेषित किया, जो एक ऐसा धातु है जो विभिन्न विद्युत अवस्थाओं के बीच आसानी से स्विच करने की अपनी क्षमता के लिए जाना जाता है, और एक विशिष्ट कार्बनिक अम्ल जो एक वलय-आकार के अणु से प्राप्त होता है। जब इन सामग्रियों को नियंत्रित परिस्थितियों में मिलाया गया, तो उन्होंने एक एकल, समान संरचना नहीं बनाई। इसके बजाय, क्रिस्टल सात अलग-अलग आणविक समूहों का एक भीड़भाड़ वाला समूह बनकर विकसित हुआ जो एक साथ पैक किए गए थे। यह बहु-घटक क्लस्टर एकल धातु परमाणुओं, धातु के जोड़ों और तीन धातु परमाणुओं के समूहों को समाहित करता है, जो कार्बनिक अम्ल और पानी के अणुओं द्वारा आपस में जुड़े हुए हैं। शोधकर्ताओं ने एक्स-रे विवर्तन (X-ray diffraction) का उपयोग करके इस जटिल वास्तुकला की पुष्टि की, जो एक तकनीक है जो ठोस के भीतर परमाणुओं की सटीक व्यवस्था का मानचित्रण करती है। उन्होंने पाया कि क्रिस्टल तेरह कोबाल्ट परमाणुओं से बना एक स्थिर, सुपरिभाषित ढांचा था जो मिलकर काम कर रहे थे, एक ऐसी जटिलता जिसने संकेत दिया कि इसमें दिलचस्प विद्युत गुण हो सकते हैं।

यह देखने के लिए कि क्या यह सामग्री ऊर्जा संग्रहीत कर सकती है, टीम ने कोबाल्ट क्रिस्टल को एक इलेक्ट्रोड के रूप में और दूसरे के रूप में कार्बन के एक सामान्य रूप का उपयोग करके एक परीक्षण सेल बनाया। उन्होंने पहले उपकरण का परीक्षण एक मानक तरल इलेक्ट्रोलाइट में किया, जो कई ऊर्जा प्रयोगों में उपयोग किया जाने वाला एक बुनियादी घोल है। परिणाम आशाजनक लेकिन मध्यम थे। उपकरण ऊर्जा की एक विशिष्ट मात्रा संग्रहीत कर सकता था और एक स्थिर दर पर शक्ति प्रदान कर सकता था, जो कुछ हद तक बैटरी की तरह व्यवहार कर रहा था जिसमें सुपरकैपेसिटर के लक्षण भी थे। हालाँकि, शोधकर्ताओं को संदेह था कि तरल घोल स्वयं प्रदर्शन को सीमित कर रहा है। इस परीक्षण के लिए, उन्होंने तरल में एक रेडॉक्स-सक्रिय (redox-active) एडिटिव जोड़ा। सरल शब्दों में, यह एडिटिव एक ऐसा रसायन है जो आसानी से इलेक्ट्रॉन दे सकता है और वापस ले सकता है, जो इलेक्ट्रोड्स के बीच चार्ज को अधिक कुशलता से ले जाने वाले एक शटल (फेरी) के रूप में कार्य करता है। यह एडिटिव एक प्रसिद्ध यौगिक है जिसमें आयरन (लोहा) और साइनाइड समूह होते हैं, जो इन जलीय घोलों में उपयोग के लिए सुरक्षित है।

जब शोधकर्ताओं ने तरल में इस एडिटिव के साथ परीक्षण दोबारा किया, तो डिवाइस का प्रदर्शन काफी बढ़ गया। उपकरण द्वारा संग्रहीत की जा सकने वाली ऊर्जा की मात्रा बढ़ गई, और यह पहले की तुलना में बहुत तेज़ी से उस ऊर्जा को रिलीज़ कर सका। रासायनिक शटल के जुड़ने से कोबाल्ट क्रिस्टल को ऊर्जा भंडारण प्रक्रिया में अधिक पूर्ण रूप से भाग लेने में मदद मिली, जिससे प्रभावी रूप से डिवाइस की क्षमताओं का स्तर बढ़ गया। टीम ने चार्ज रखने की डिवाइस की क्षमता को मापा और पाया कि इसने हजारों चार्ज और डिस्चार्ज चक्रों के बाद भी अपने प्रारंभिक प्रदर्शन को लगभग बरकरार रखा। स्थिरता का यह उच्च स्तर बताता है कि सामग्री टिकाऊ है और बार-बार उपयोग से आसानी से घिसती नहीं है। अध्ययन ने यह भी विश्लेषण किया कि बिजली सिस्टम के माध्यम से कैसे चलती है, जिससे पता चला कि एडिटिव ने तरल के भीतर प्रतिरोध को कम कर दिया, जिससे आयन अधिक स्वतंत्र रूप से और तेज़ी से बह सके।

निष्कर्ष बताते हैं कि यह विशिष्ट कोबाल्ट-आधारित क्रिस्टल भविष्य के ऊर्जा भंडारण उपकरणों के लिए एक मजबूत उम्मीदवार है, लेकिन इसकी वास्तविक क्षमता केवल सही तरल वातावरण के साथ जुड़ने पर ही अनलॉक होती है। यह शोध दर्शाता है कि इलेक्ट्रोलाइट में सुधार करना इलेक्ट्रोड में सुधार करने जितना ही महत्वपूर्ण है। घोल में एक सरल, रेडॉक्स-सक्रिय रसायन जोड़कर, टीम एक अच्छे ऊर्जा भंडारण सामग्री को अत्यधिक कुशल सामग्री में बदलने में सक्षम रही। डिवाइस ने 99.3 यूनिट प्रति ग्राम का विशिष्ट क्षमता, 35.3 वाट-घंटा प्रति किलोग्राम का ऊर्जा घनत्व और 1280 वाट प्रति किलोग्राम का पावर घनत्व प्राप्त किया। ये संख्याएँ बिना एडिटिव वाले डिवाइस की तुलना में एक महत्वपूर्ण सुधार का प्रतिनिधित्व करती हैं, जिसने केवल 20.4 वाट-घंटा प्रति किलोग्राम और 825 वाट प्रति किलोग्राम प्रबंधित किया था। अध्ययन का निष्कर्ष है कि इस बहु-घटक कोबाल्ट क्रिस्टल और रेडॉक्स-सक्रिय इलेक्ट्रोलाइट का संयोजन शक्तिशाली और लंबे समय तक चलने वाले हाइब्रिड ऊर्जा भंडारण सिस्टम बनाने की दिशा में एक व्यावहारिक मार्ग प्रदान करता है, जो पारंपरिक बैटरियों और सुपरकैपेसिटर के बीच के अंतर को पाटता है।