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

La vita moderna si regge su una costante domanda di energia, dai telefoni intelligenti nelle nostre tasche ai veicoli elettrici sulle nostre strade. Per alimentare questi dispositivi, abbiamo bisogno di modi per immagazzinare l'elettricità che siano sia rapidi che duraturi. Le batterie sono eccellenti nel trattenere una grande quantità di energia, ma si caricano lentamente e possono essere pesanti. D'altro canto, una tecnologia diversa chiamata supercondensatore può caricarsi e scaricarsi in pochi secondi, il che la rende perfetta per rapidi impulsi di potenza, ma di solito trattiene molta meno energia rispetto a una batteria. La sfida per gli scienziati è costruire un dispositivo che combini il meglio di entrambi i mondi: la velocità di un supercondensatore con l'elevata capacità di accumulo di una batteria. La chiave per risolvere questo enigma risiede nei materiali utilizzati per realizzare gli elettrodi, ovvero le parti del dispositivo dove l'elettricità viene effettivamente immagazzinata.

I ricercatori hanno esplorato una classe di materiali chiamati framework metallo-organici, che sono come gabbie microscopiche simili a spugne, composte da atomi metallici legati da molecole organiche. Queste strutture sono piene di minuscoli fori che permettono agli ioni, particelle cariche, di entrare e uscire facilmente. Quando gli scienziati trasformano queste gabbie in solfuri metallici, ottengono la capacità di immagazzinare energia attraverso reazioni chimiche, un processo che aumenta significativamente la capacità di stoccaggio. Tuttavia, queste strutture spugnose spesso lottano con due problemi: non sono molto brave a condurre elettricità e possono sgretolarsi o rompersi dopo essere state caricate e scaricate molte volte. Per risolvere questo problema, gli scienziati spesso le mescolano con nanotubi di carbonio, che sono tubi di carbonio incredibilmente sottili e resistenti che fungono da autostrada per il flusso di elettricità. La domanda rimane se combinare questi due materiali distinti in una singola struttura unificata possa creare un elettrodo per supercondensatore che sia sia potente che durevole.

Un team di ricercatori dell'Università di Kashan e dell'Università di Qom, in Iran, si è posto l'obiettivo di rispondere a questo quesito creando un nuovo materiale ibrido. Sono partiti da una miscela di nichel e cobalto, due metalli noti per la loro capacità di partecipare a reazioni chimiche di accumulo di energia, e li hanno combinati con un framework metallo-organico. Hanno poi trasformato questa struttura in un solfuro, un composto contenente zolfo, che è noto per essere altamente attivo per l'accumulo di energia. Fondamentalmente, non si sono limitati a mescolare questi materiali tra loro; hanno fatto crescere le strutture di solfuro metallico direttamente su una rete di nanotubi di carbonio che era stata trattata chimicamente per avere gruppi funzionali "appiccicosi" sulla loro superficie. Questo processo ha creato un materiale singolo e integrato in cui i solfuri metallici che immagazzinano l'energia erano saldamente ancorati ai tubi di carbonio conduttivi, impedendo loro di raggrupparsi o cadere a pezzi.

Quando il team ha testato questo nuovo materiale composito, ha scoperto che si è comportato eccezionalmente bene. In un test standard di laboratorio utilizzando una configurazione a tre elettrodi, il materiale ha dimostrato una capacità specifica di 820 farad per grammo a una densità di corrente di 0,5 ampere per grammo. Questo numero rappresenta quanta carica elettrica il materiale può trattenere in relazione al suo peso. Ancora più importante, il materiale ha dimostrato di essere incredibilmente stabile. Dopo essere stato caricato e scaricato 5.000 volte a un'alta velocità di 20 ampere per grammo, ha mantenuto circa il 93 percento della sua capacità originale. Questo livello di durabilità suggerisce che la rete di nanotubi di carbonio abbia supportato con successo le strutture di solfuro metallico, assorbendo lo stress fisico che di solito causa il degrado di tali materiali nel tempo.

Per vedere come questo materiale funzionerebbe in un dispositivo reale, i ricercatori hanno costruito un supercondensatore simmetrico, un'unità di accumulo di energia completa realizzata utilizzando due elettrodi identici del loro nuovo materiale. In questo dispositivo completo, il materiale ha raggiunto una capacità specifica di 335 farad per grammo a una densità di corrente di 1,0 ampere per grammo. Il dispositivo ha inoltre fornito una densità di energia di 41,40 watt-ora per chilogrammo e una densità di potenza di 720,0 watt per chilogrammo. Queste cifre indicano che il dispositivo può immagazzinare una quantità significativa di energia pur riuscendo a erogarla rapidamente. Il successo del materiale deriva dal modo in cui le diverse parti lavorano insieme: i domini porosi di solfuro metallico forniscono un gran numero di siti attivi per le reazioni chimiche, mentre i nanotubi di carbonio funzionalizzati formano una rete conduttiva continua che assicura che gli elettroni possano muoversi rapidamente e che la struttura rimanga intatta.

I ricercatori hanno confermato la composizione e la struttura del loro materiale utilizzando diversi strumenti analitici. Hanno esaminato il materiale sotto microscopi elettronici e hanno scoperto che le particelle di solfuro metallico erano distribuite uniformemente sulla rete di nanotubi di carbonio, formando una struttura porosa tridimensionale che permetteva agli elettroliti di fluire liberamente. L'analisi chimica ha mostrato che il materiale conteneva gli elementi attesi di nichel, cobalto, zolfo, carbonio, azoto e ossigeno nelle giuste proporzioni, senza impurità indesiderate. La presenza di specifici legami chimici tra i metalli e lo zolfo, così come i gruppi funzionali sui tubi di carbonio, ha confermato che i due componenti erano collegati chimicamente piuttosto che semplicemente mescolati fisicamente. Questa forte connessione è ciò che permette al materiale di resistere alla ripetuta espansione e contrazione che avviene durante la carica e la scarica.

Lo studio conclude che questo composito ternario, che unisce un framework metallo-organico, un solfuro metallico e nanotubi di carbonio funzionalizzati, rappresenta un passo avanti promettente per la tecnologia di accumulo di energia. Creando una struttura in cui la rete di carbonio conduttiva supporta i domini attivi di solfuro metallico, i ricercatori hanno sviluppato un elettrodo che è sia altamente efficiente nello stoccaggio della carica, sia abbastanza robusto da durare per miglia di cicli. Sebbene il materiale non sia ancora un prodotto commerciale, i risultati dimostrano che combinare questi componenti specifici in questo modo preciso può superare i limiti tradizionali dei materiali per supercondensatori, offrendo una via percorribile verso dispositivi che possano alimentare i nostri futuri apparecchi elettronici con velocità e resistenza.