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

Het moderne leven draait op een constante vraag naar energie, van de smartphones in onze zakken tot de elektrische voertuigen op onze wegen. Om deze apparaten van stroom te voorzien, hebben we manieren nodig om elektriciteit op te slaan die zowel snel als langdurig zijn. Batterijen zijn uitstekend in het vasthouden van een grote hoeveelheid energie, maar ze laden langzaam op en kunnen zwaar zijn. Aan de andere kant kan een andere technologie, een supercondensator genoemd, in seconden opladen en ontladen, wat het perfect maakt voor snelle krachtstoten, maar het kan meestal veel minder energie vasthouden dan een batterij. De uitdaging voor wetenschappers is om een apparaat te bouwen dat het beste van beide werelden combineert: de hoge snelheid van een supercondensator met de hoge energiedichtheid van een batterij. De sleutel tot het oplossen van dit puzzelstukje ligt in de materialen die worden gebruikt om de elektroden te maken, de onderdelen van het apparaat waar de elektriciteit daadwerkelijk wordt opgeslagen.

Onderzoekers hebben geëxperimenteerd met een klasse materialen genaamd metaal-organische kaders, die lijken op microscopische, sponsachtige kooien gemaakt van metaalatomen verbonden door organische moleculen. Deze structuren zitten vol met minuscule gaatjes waardoor ionen, wat geladen deeltjes zijn, gemakkelijk in en uit kunnen bewegen. Wanneer wetenschappers deze kooien omzetten in metaalsulfiden, verkrijgen ze het vermogen om energie op te slaan via chemische reacties, een proces dat de opslagcapaciteit aanzienlijk verhoogt. Deze sponsachtige structuren worstelen echter vaak met twee problemen: ze zijn niet erg goed in het geleiden van elektriciteit, en ze kunnen uit elkaar vallen of afbrokkelen na het herhaaldelijk opladen en ontladen. Om dit op te lossen, mengen wetenschappers ze vaak met koolstofnanobuisjes, die ongelooflijk dunne, sterke buisjes zijn gemaakt van koolstof die fungeren als een snelweg voor de stroom van elektriciteit. De vraag blijft of het combineren van deze twee verschillende materialen in één enkele, verenigde structuur een supercondensator-elektrode kan creëren die zowel krachtig als duurzaam is.

Een team van onderzoekers van de Universiteit van Kashan en de Universiteit van Qom in Iran zette zich in om dit te beantwoorden door een nieuw hybride materiaal te creëren. Ze begonnen met een mengsel van nikkel en kobalt, twee metalen die bekend staan om hun vermogen om deel te nemen aan energie-opslagschemische reacties, en combineerden deze met een metaal-organisch kader. Vervolgens transformeerden ze deze structuur naar een sulfide, een verbinding die zwavel bevat, wat bekend staat als zeer actief voor het opslaan van energie. Cruciaal was dat ze deze materialen niet alleen bij elkaar mengden; ze groeiden de metaalsulfide-structuren direct op een netwerk van koolstofnanobuisjes die chemisch waren behandeld om plakkerige, functionele groepen op hun oppervlak te hebben. Dit proces creëerde een enkel, geïntegreerd materiaal waarbij de energie-opslagsulfide-structuren stevig verankerd waren aan de geleidende koolstofbuisjes, wat voorkomt dat ze samenklonteren of uit elkaar vallen.

Toen het team dit nieuwe composietmateriaal testte, bleek dat het uitzonderlijk goed presteerde. In een standaard laboratoriumtest met een drieelektrodenopstelling vertoonde het materiaal een specifieke capaciteit van 820 farad per gram bij een stroomdichtheid van 0,5 ampère per gram. Dit getal vertegenwoordigt hoeveel elektrische lading het materiaal kan vasthouden in verhouding tot zijn gewicht. Nog belangrijker is dat het materiaal ongelooflijk stabiel bleek te zijn. Na 5.000 keer laden en ontladen bij een hoge snelheid van 20 ampère per gram, behield het ongeveer 93 procent van zijn oorspronkelijke capaciteit. Dit niveau van duurzaamheid suggereert dat het koolstofnanobuisjesnetwerk de metaalsulfide-structuren succesvol heeft ondersteund door de fysieke spanning te absorberen die normaal gesproken ervoor zorgt dat dergelijke materialen in de loop van de tijd degraderen.

Om te zien hoe dit materiaal in een echt apparaat zou werken, bouwden de onderzoekers een symmetrische supercondensator, een compleet energieopslagapparaat gemaakt met twee identieke elektroden van hun nieuwe materiaal. In dit volledige apparaat bereikte het materiaal een specifieke capaciteit van 335 farad per gram bij een stroomdichtheid van 1,0 ampère per gram. Het apparaat leverde ook een energiedichtheid van 41,40 wattuur per kilogram en een vermogensdichtheid van 720,0 watt per kilogram. Deze cijfers geven aan dat het apparaat een aanzienlijke hoeveelheid energie kan opslaan terwijl het deze nog steeds snel kan leveren. Het succes van het materiaal komt voort uit de manier waarop de verschillende onderdelen samenwerken: de poreuze metaalsulfide-domeinen bieden een groot aantal actieve plaatsen waar chemische reacties kunnen plaatsvinden, terwijl de gefunctionaliseerde koolstofnanobuisjes een continu, geleidend netwerk vormen dat ervoor zorgt dat elektronen snel kunnen bewegen en de structuur intact blijft.

De onderzoekers bevestigden de samenstelling en structuur van hun materiaal met behulp van verschillende analytische instrumenten. Ze onderzochten het materiaal onder elektronenmicroscopen en vonden dat de metaalsulfide-deeltjes gelijkmatig over het koolstofnanobuisjesnetwerk waren verdeeld, waardoor een driedimensionale poreuze structuur ontstond die elektrolyten vrij kon laten stromen. Chemische analyse toonde aan dat het materiaal de verwachte elementen van nikkel, kobalt, zwavel, koolstof, stikstof en zuurstof bevatte in de juiste verhoudingen, zonder ongewenste onzuiverheden. De aanwezigheid van specifieke chemische bindingen tussen de metalen en zwavel, evenals de functionele groepen op de koolstofbuisjes, bevestigde dat de twee componenten chemisch aan elkaar verbonden waren in plaats van alleen fysiek gemengd. Deze sterke verbinding is wat het materiaal in staat stelt om de herhaalde expansie en contractie te weerstaan die optreden tijdens het laden en ontladen.

De studie concludeert dat dit ternaire composiet, dat een metaal-organisch kader, een metaalsulfide en gefunctionaliseerde koolstofnanobuisjes samenbrengt, een veelbelovende stap voorwaarts vormt voor de technologie van energieopslag. Door een structuur te creëren waarbij het geleidende koolstofnetwerk de actieve metaalsulfide-domeinen ondersteunt, hebben de onderzoekers een elektrode ontwikkeld die zowel zeer efficiënt is in het opslaan van lading als robuust genoeg is om duizenden cycli te overleven. Hoewel het materiaal nog geen commercieel product is, laten de resultaten zien dat het combineren van deze specifieke componenten op deze precieze manier de traditionele beperkingen van supercondensatormaterialen kan overwinnen, wat een levensvatbaar pad biedt naar apparaten die onze toekomstige elektronica kunnen voeden met zowel snelheid als uithoudingsvermogen.