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

L'accumulo di energia moderno si basa su un delicato equilibrio tra quanta potenza un dispositivo può contenere e quanto velocemente può rilasciare tale potenza. Le batterie sono eccellenti nel conservare grandi quantità di energia per lunghi periodi, mentre i supercondensatori eccellono nel fornire scariche di potenza quasi istantaneamente. Gli scienziati cercano da tempo un dispositivo ibrido che combini il meglio di entrambi i mondi: l'alta capacità energetica di una batteria con la velocità di carica e scarica di un supercondensatore. Per costruire un tale dispositivo, i ricercatori si concentrano su due componenti principali: l'elettrodo, ovvero il materiale solido dove l'energia viene immagazzinata, e l'elettrolita, la soluzione liquida che permette agli ioni di muoversi tra gli elettrodi. Sebbene molta attenzione sia stata rivolta alla progettazione di migliori elettrodi solidi, l'elettrolita liquido è stato spesso trascurato, nonostante svolga un ruolo critico nell'efficienza operativa dell'intero sistema. Introducendo additivi chimici specifici nell'elettrolita, è possibile innescare reazioni chimiche supplementari che potenziano le prestazioni del dispositivo senza modificare i materiali solidi stessi.

In uno studio recente, un team di ricercatori provenienti da Pakistan e Turchia ha esplorato questo approccio creando un materiale solido unico e testandolo con un additivo liquido speciale. Hanno sintetizzato un cristallo complesso composto da cobalto, un metallo noto per la sua capacità di passare facilmente tra diversi stati elettrici, e un acido organico specifico derivato da una molecola ad anello. Quando questi ingredienti sono stati mescolati in condizioni controllate, non hanno formato una struttura singola e uniforme. Al contrario, il cristallo è cresciuto come un assemblaggio affollato di sette diversi gruppi molecolari impacchettati insieme. Questo cluster multi-componente contiene atomi di metallo singoli, coppie di atomi di metallo e gruppi di tre atomi di metallo, tutti legati dall'acido organico e dalle molecole d'acqua. I ricercatori hanno confermato questa intricata architettura utilizzando la diffrazione di raggi X, una tecnica che mappa la disposizione precisa degli atomi all'interno di un solido. Hanno scoperto che il cristallo era una struttura stabile e ben definita composta da tredici atomi di cobalto che lavorano all'unisono, una complessità che suggeriva potesse possedere interessanti proprietà elettriche.

Per vedere se questo materiale potesse immagazzinare energia, il team ha costruito una cella di prova utilizzando il cristallo di cobalto come un elettrodo e una forma comune di carbonio come l'altro. Hanno prima testato il dispositivo in un elettrolita liquido standard, che è una soluzione di base utilizzata in molti esperimenti energetici. I risultati sono stati promettenti ma modesti. Il dispositivo poteva immagazzinare una specifica quantità di energia e fornire potenza a un ritmo costante, comportandosi in modo simile a una batteria che possiede anche tratti da supercondensatore. Tuttavia, i ricercatori sospettavano che il liquido stesso stesse limitando le prestazioni. Per testare questo, hanno aggiunto un additivo redox-attivo al liquido. In termini semplici, questo additivo è una sostanza chimica che può cedere e riprendere facilmente elettroni, agendo come una navetta che trasporta la carica in modo più efficiente tra gli elettrodi. Questo additivo è un composto ben noto contenente ferro e gruppi di cianuro, sicuro da usare in queste soluzioni acquose.

Quando i ricercatori hanno ripetuto i test con questo additivo nel liquido, le prestazioni del dispositivo sono aumentate significativamente. La quantità di energia che il dispositivo poteva immagazzinare è aumentata e poteva rilasciare tale energia molto più velocemente rispetto a prima. L'aggiunta della navetta chimica ha permesso al cristallo di cobalto di partecipare più pienamente al processo di accumulo di energia, aumentando efficacementmente il volume delle capacità del dispositivo. Il team ha misurato la capacità del dispositivo di mantenere una carica e ha scoperto che manteneva quasi tutte le sue prestazioni iniziali anche dopo migliaia di cicli di carica e scarica. Questo alto livello di stabilità suggerisce che il materiale sia durevole e non si deteriori facilmente con l'uso ripetuto. Lo studio ha anche analizzato come l'elettricità si muovesse attraverso il sistema, rivelando che l'additivo riduceva la resistenza all'interno del liquido, permettendo agli ioni di fluire più liberamente e rapidamente.

I risultati indicano che questo specifico cristallo a base di cobalto è un forte candidato per i futuri dispositivi di accumulo di energia, ma il suo vero potenziale viene sbloccato solo quando accoppiato con l'ambiente liquido corretto. La ricerca dimostra che migliorare l'elettrolita è importante quanto migliorare l'elettrodo. Aggiungendo un semplice prodotto chimico redox-attivo alla soluzione, il team è stato in grado di trasformare un buon materiale di accumulo energetico in uno altamente efficiente. Il dispositivo ha raggiunto una capacità specifica di 99,3 unità per grammo, una densità energetica di 35,3 watt-ora per chilogrammo e una densità di potenza di 1280 watt per chilogrammo. Questi numeri rappresentano un miglioramento significativo rispetto al dispositivo testato senza l'additivo, che gestiva solo 20,4 watt-ora per chilogrammo e 825 watt per chilogrammo. Lo studio conclude che questa combinazione di un cristallo di cobalto multi-componente e un elettrolita redox-attivo offre una via pratica verso la creazione di sistemi di accumulo di energia ibridi che siano sia potenti che duraturi, colmando il divario tra le batterie tradizionali e i supercondensatori.