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
혼합 핵성을 갖는 착물을 특징으로 하는 새롭게 합성된 다성분 코발트(II) 공결정은 구조적으로 특성화되었으며, 특히 높은 에너지 밀도와 우수한 사이클 안정성을 달성하기 위해 산화환원 활성 전해질과 결합되었을 때 하이브리드 소자의 전극 물질로서 향상된 에너지 저장 성능을 입증하였다.
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현대적인 에너지 저장 기술은 장치가 얼마나 많은 전력을 보유할 수 있는지와 그 전력을 얼마나 빠르게 방출할 수 있는지 사이의 미묘한 균형에 의존합니다. 배터리는 장기간 대량의 에너지를 저장하는 데 탁월한 반면, 슈퍼커패시터는 거의 즉각적으로 전력의 폭발적인 분출을 전달하는 데 뛰어납니다. 과학자들은 오랫동안 배터리의 높은 에너지 용량과 슈퍼커패시터의 빠른 충방전 속도를 결합한 하이브리드 장치를 추구해 왔습니다. 이러한 장치를 구축하기 위해 연구자들은 두 가지 주요 구성 요소, 즉 에너지가 저장되는 고체 재료인 전극과 전극 사이에서 이온이 이동할 수 있게 해주는 액체 용액인 전해질에 집중합니다. 많은 관심이 더 나은 고체 전극을 설계하는 데 기울여 왔지만, 전해질은 전체 시스템이 얼마나 효율적으로 작동하는지에 결정적인 역할을 함에도 불구하고 종종 간과되어 왔습니다. 전해질에 특정 화학 첨가제를 도입함으로써, 고체 재료 자체를 변경하지 않고도 장치의 성능을 높이는 추가적인 화학 반응을 유도할 수 있습니다.
최근 한 연구에서 파키스탄과 터키의 연구진은 독특한 고체 재료를 만들고 이를 특수한 액체 첨가제와 함께 테스트함으로써 이 접근 방식을 탐구했습니다. 그들은 전기적 상태를 쉽게 전환하는 능력으로 알려진 금속인 코발트를 포함한 복잡한 결정을 합성했으며, 고리 모양의 분자에서 유래한 특정 유기산을 사용했습니다. 이러한 성분들을 통제된 조건 하에 혼합했을 때, 이들은 단일하고 균일한 구조를 형성하는 대신, 일곱 개의 서로 다른 분자 그룹이 밀집되어 있는 복잡한 집합체로 성장했습니다. 이 다성분 클러스터는 유기산과 물 분자에 의해 연결된 단일 금속 원자, 금속 원자 쌍, 그리고 세 개의 금속 원자 그룹을 포함하고 있습니다. 연구진은 원자들의 정밀한 배열을 매핑하는 기술인 X선 회절법을 사용하여 이 복잡한 구조를 확인했습니다. 그들은 이 결정이 13개의 코발트 원자가 협력하여 이루어진 안정적이고 잘 정의된 구조임을 확인했으며, 이러한 복잡성은 흥lik한 전기적 특성을 가질 수 있음을 시사했습니다.
이 재료가 에너지를 저장할 수 있는지 확인하기 위해, 연구팀은 코발트 결정을 한쪽 전극으로 사용하고 흔히 쓰이는 탄소 형태를 다른 쪽 전극으로 사용하여 테스트 셀을 제작했습니다. 그들은 먼저 일반적인 액체 전해질(많은 에너지 실험에 사용되는 기본적인 용액)을 사용하여 장치를 테스트했습니다. 결과는 유망했지만 완만했습니다. 장치는 특정 양의 에너지를 저장하고 일정한 속도로 전력을 전달할 수 있었으며, 슈퍼커패시터의 특성을 가진 배터리처럼 작동했습니다. 그러나 연구진은 액체 용액 자체가 성능을 제한하고 있다고 의심했습니다. 이를 테스트하기 위해, 그들은 액체에 산화환원 활성 첨가제를 추가했습니다. 간단히 말해, 이 첨가제는 전자를 쉽게 주고받을 수 있는 화학 물질로, 전극 사이에서 전하를 더 효율적으로 실어 나르는 셔틀 역할을 합니다. 이 첨가제는 철과 시안기(cyanide groups)를 포함하는 잘 알려진 화합물이며, 이러한 수용성 용액에서 안전하게 사용할 수 있습니다.
연구진이 액체에 이 첨가제를 넣고 다시 테스트를 진행했을 때, 장치의 성능은 크게 뛰어올랐습니다. 장치가 저장할 수 있는 에너지의 양이 증가했고, 에너지를 이전보다 훨씬 더 빠르게 방출할 수 있었습니다. 이 화학적 셔틀의 추가는 코발트 결정이 에너지 저장 과정에 더 온전히 참여할 수 있도록 하여, 사실상 장치의 역량을 증폭시키는 역할을 했습니다. 연구진은 장치의 충전 능력을 측정하였으며, 수천 번의 충방전 사이클 후에도 초기 성능을 거의 모두 유지한다는 것을 발견했습니다. 이러한 높은 수준의 안정성은 이 재료가 반복적인 사용에도 쉽게 마모되지 않는 내구성을 갖추었음을 시사합니다. 연구팀은 또한 시스템을 통해 전기가 어떻게 이동하는지 분석하였으며, 첨가제가 액체 내의 저항을 줄여 이온이 더 자유롭고 빠르게 흐를 수 있게 한다는 것을 밝혀냈습니다.
이 연구 결과는 이 특정 코발트 기반 결정이 미래의 에너지 저장 장치를 위한 강력한 후보임을 나타내지만, 그 진정한 잠재력은 적절한 액체 환경과 결합될 때만 발휘됩니다. 이 연구는 전해질을 개선하는 것이 전극을 개선하는 것만큼 중요하다는 것을 보여줍니다. 단순한 산화환원 활성 화학 물질을 용액에 추가함으로써, 연구팀은 우수한 에너지 저장 재료를 매우 효율적인 재료로 변모시킬 수 있었습니다. 이 장치는 99.3 units/g의 비용량, 35.3 Wh/kg의 에너지 밀도, 그리고 1280 W/kg의 출력 밀도를 달성했습니다. 이 수치들은 첨가제 없이 테스트되었던 장치가 기록한 20.4 Wh/kg의 에너지 밀도와 825 W/kg의 출력 밀도에 비해 상당한 개선을 나타냅니다. 연구는 이 다성분 코발트 결정과 산화환원 활성 전해질의 조합이 강력하면서도 오래 지속되는 하이브리드 에너지 저장 시스템을 만드는 실질적인 경로을 제공하며, 전통적인 배터리와 슈퍼커패시터 사이의 간극을 메울 수 있다고 결론지었습니다.
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