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

O armazenamento de energia moderno depende de um equilíbrio delicado entre quanta potência um dispositivo pode reter e a rapidez com que pode liberar essa potência. As baterias são excelentes em armazenar grandes quantidades de energia por longos períodos, enquanto os supercapacitores se destacam em entregar surtos de potência quase instantaneamente. Cientistas há muito buscam um dispositivo híbrido que combine o melhor dos dois mundos: a alta capacidade de energia de uma bateria com a velocidade de carga e descarga rápida de um supercapacitor. Para construir tal dispositivo, pesquisadores focam em dois componentes principais: o eletrodo, que é o material sólido onde a energia é armazenada, e o eletrólito, a solução líquida que permite que os íons se movam entre os eletrodos. Embora muita atenção tenha sido dada ao design de melhores eletrodos sólidos, o eletrólito líquido tem sido frequentemente negligenciado, embora desempenhe um papel crítico em como todo o sistema opera com eficiência. Ao introduzir aditivos químicos específicos no eletrólito, é possível desencadear reações químicas extras que aumentam o desempenho do dispositivo sem alterar os materiais sólidos em si.

Em um estudo recente, uma equipe de pesquisadores do Paquistão e da Turquia explorou essa abordagem criando um material sólido único e testando-o com um aditivo líquido especial. Eles sintetizaram um cristal complexo feito de cobalto, um metal conhecido por sua capacidade de alternar facilmente entre diferentes estados elétricos, e um ácido orgânico específico derivado de uma molécula em forma de anel. Quando esses ingredientes foram misturados sob condições controladas, eles não formaram uma estrutura única e uniforme. Em vez disso, o cristal cresceu como um agrupamento lotado de sete grupos moleculares diferentes compactados. Este aglomerado multicomponente contém átomos de metal individuais, pares de átomos de metal e grupos de três átomos de metal, todos ligados pelo ácido orgânico e moléculas de água. Os pesquisadores confirmaram essa arquitetura intrincada usando difração de raios X, uma técnica que mapeia o arranjo preciso dos átomos dentro de um sólido. Eles descobriram que o cristal era uma estrutura estável e bem definida composta por treze átomos de cobalto trabalhando em conjunto, uma complexidade que sugeria que ele poderia ter propriedades elétricas interessantes.

Para ver se este material poderia armazenar energia, a equipe construiu uma célula de teste usando o cristal de cobalto como um eletrodo e uma forma comum de carbono como o outro. Eles primeiro testaram o dispositivo em um eletrólito líquido padrão, que é uma solução básica usada em muitos experimentos de energia. Os resultados foram promissores, mas modestos. O dispositivo podia armazenar uma quantidade específica de energia e entregar potência a uma taxa constante, comportando-se de forma semelhante a uma bateria que também possui traços de supercapacitor. No entanto, os pesquisadores suspeitavam que a própria solução líquida estava limitando o desempenho. Para testar isso, eles adicionaram um aditivo redoxativo ao líquido. Em termos simples, este aditivo é um produto químico que pode facilmente doar e retomar elétrons, agindo como uma balsa que transporta a carga de forma mais eficiente entre os eletrodos. Este aditivo é um composto bem conhecido contendo ferro e grupos de cianeto, que é seguro para uso nessas soluções aquosas.

Quando os pesquisadores realizaram os testes novamente com este aditivo no líquido, o desempenho do dispositivo saltou significativamente. A quantidade de energia que o dispositivo podia armazenar aumentou, e ele podia liberar essa energia muito mais rápido do que antes. A adição do mensageiro químico permitiu que o cristal de cobalto participasse mais plenamente do processo de armazenamento de energia, efetivamente aumentando o volume das capacidades do dispositivo. A equipe mediu a habilidade do dispositivo de manter uma carga e descobriu que ele reteve quase todo o seu desempenho inicial mesmo após milhares de ciclos de carga e descarga. Este alto nível de estabilidade sugere que o material é durável e não é facilmente desgastado pelo uso repetido. O estudo também analisou como a eletricidade se movia através do sistema, revelando que o aditivo reduziu a resistência dentro do líquido, permitindo que os íons fluíssem de forma mais livre e rápida.

As descobertas indicam que este cristal específico à base de cobalto é um forte candidato para futuros dispositivos de armazenamento de energia, mas seu verdadeiro potencial é desbloqueado apenas quando pareado com o ambiente líquido correto. A pesquisa demonstra que melhorar o eletrólito é tão importante quanto melhorar o eletrodo. Ao adicionar um simples produto químico redoxativo à solução, a equipe foi capaz de transformar um bom material de armazenamento de energia em um altamente eficiente. O dispositivo alcançou uma capacidade específica de 99,3 unidades por grama, uma densidade de energia de 35,3 watt-horas por quilograma e uma densidade de potência de 1280 watts por quilograma. Esses números representam uma melhoria significativa sobre o dispositivo testado sem o aditivo, que conseguiu apenas 20,4 watt-horas por quilograma e 825 watts por quilograma. O estudo conclui que esta combinação de um cristal de cobalto multicomponente e um eletrólito redoxativo oferece um caminho prático para a criação de sistemas de armazenamento de energia híbridos que são tanto potentes quanto duradouros, preenchendo a lacuna entre as baterias tradicionais e os supercapacitores.