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

Moderne energieopslag rust op een delicaat evenwicht tussen hoeveel vermogen een apparaat kan vasthouden en hoe snel het dat vermogen kan afgeven. Batterijen zijn uitstekend in het opslaan van grote hoeveelheden energie gedurende lange perioden, terwijl supercondensatoren uitblinken in het leveren van krachtstoten bijna onmiddellijk. Wetenschappers zoeken al lang naar een hybride apparaat dat het beste van beide werelden combineert: de hoge energiecapaciteit van een batterij met de snelle laad- en ontlaadsnelheid van een supercondensator. Om een dergelijk apparaat te bouien, richten onderzoekers zich op twee hoofdonderdelen: de elektrode, het vaste materiaal waar energie wordt opgeslagen, en de elektrolyt, de vloeibare oplossing die ionen tussen de elektroden laat bewegen. Hoewel er veel aandacht is besteed aan het ontwerpen van betere vaste elektroden, is de vloeibare elektrolyt vaak over het hoofd gezien, ook al speelt deze een cruciale rol in hoe efficiënt het gehele systeem functioneert. Door specifieke chemische additieven aan de elektrolyt toe te voegen, is het mogelijk om extra chemische reacties te triggeren die de prestaties van het apparaat verbeteren zonder de vaste materialen zelf te veranderen.

In een recente studie onderzochten een team onderzoekers uit Pakistan en Turkije deze aanpak door een uniek vast materiaal te creëren en dit te testen met een speciale vloeibare additief. Ze synthetiseerden een complex kristal gemaakt van kobalt, een metaal dat bekend staat om zijn vermogen om gemakkelijk tussen verschillende elektrische toestanden te schakelen, en een specifiek organisch zuur afgeleid van een ringvormig molecuul. Wanneer deze ingrediënten onder gecontroleerde omstandigheden werden gemengd, vormden ze geen enkele, uniforme structuur. In plaats daarvan groeide het kristal als een drukke verzameling van zeven verschillende moleculaire groepen die dicht tegen elkaar aan liggen. Deze multi-component cluster bevat enkelvoudige metaalatomen, paren van metaalatomen en groepen van drie metaalatomen, die allemaal verbonden zijn door het organische zuur en watermoleculen. De onderzoekers bevestigden deze ingewikkelde architectuur met behulp van röntgendiffractie, een techniek die de precieze rangschikking van atomen binnen een vaste stof in kaart brengt. Ze ontdekten dat het kristal een stabiele, goed gedefinieerde structuur was bestaande uit dertien kobaltatomen die samenwerkten, een complexiteit die suggereerde dat het interessante elektrische eigenschappen zou kunnen hebben.

Om te zien of dit materiaal energie kon opslaan, bouwde het team een testcel met het kobaltkristal als één elektrode en een gangbare vorm van koolstof als de andere. Ze testten het apparaat eerst in een standaard vloeibare elektrolyt, een basisoplossing die in veel energie-experimenten wordt gebruikt. De resultaten waren veelbelovend maar bescheiden. Het apparaat kon een specifieke hoeveelheid energie opslaan en vermogen leveren met een constante snelheid, waarbij het zich enigszins gedroeg als een batterij die ook supercondensator-eigenschappen bezit. De onderzoekers vermoedden echter dat de vloeibare oplossing zelf de prestaties beperkte. Om dit te testen, voegden ze een redox-actieve additief toe aan de vloeistof. In eenvoudige bewoordingen is deze additief een chemische stof die gemakkelijk elektronen kan afgeven en weer kan opnemen, wat fungeert als een pendel die lading efficiënter tussen de elektroden vervoert. Deze additief is een bekende verbinding die ijzer en cyanidegroepen bevat, en is veilig te gebruiken in deze waterige oplossingen.

Toen de onderzoekers de tests opnieuw uitvoerden met deze additief in de vloeistof, sprong de prestatie van het apparaat aanzienlijk omhoog. De hoeveelheid energie die het apparaat kon opslaan nam toe, en het kon die energie veel sneller vrijgeven dan voorheen. De toevoeging van de chemische pendel stelde het kobaltkristal in staat om vollediger deel te nemen aan het energieopslagproces, waardoor de capaciteiten van het apparaat effectief werden opgevoerd. Het team mat het vermogen van het apparaat om een lading vast te houden en stelde vast dat het bijna al zijn initiële prestaties behield, zelfs na duizenden laad- en ontlaadcycli. Dit hoge niveau van stabiliteit suggereert dat het materiaal duurzaam is en niet gemakkelijk wordt afgesleten door herhaaldelijk gebruik. De studie analyseerde ook hoe de elektriciteit door het systeem bewoog, waarbij werd onthuld dat de additief de weerstand binnen de vloeistof verminderde, waardoor ionen vrijer en sneller konden stromen.

De bevindingen wijzen erop dat dit specifieke kobaltgebaseerde kristal een sterke kandidaat is voor toekomstige energieopslagapparaten, maar dat het ware potentieel pas wordt ontsloten wanneer het wordt gekoppeld aan de juiste vloeibare omgeving. Het onderzoek toont aan dat het verbeteren van de elektrolyt even belangrijk is als het verbeteren van de elektrode. Door een eenvoudige, redox-actieve chemische stof aan de oplossing toe te voegen, was het team in staat om een goed energieopslagmateriaal te transformeren in een zeer efficiënt materiaal. Het apparaat bereikte een specifieke capaciteit van 99,3 eenheden per gram, een energiedichtheid van 35,3 wattuur per kilogram, en een vermogensdichtheid van 1280 watt per kilogram. Deze cijfers vertegenwoordigen een aanzienlijke verbetering ten opzichte van het apparaat dat zonder de additief werd getest, dat slechts 20,4 wattuur per kilogram en 825 watt per kilogram behaalde. De studie concludeert dat deze combinatie van een multi-component kobaltkristal en een redox-actieve elektrolyt een praktisch pad biedt naar het creëren van hybride energieopslagsystemen die zowel krachtig als langdurig zijn, waarmee de kloof tussen traditionele batterijen en supercondensatoren wordt overbrugd.