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
一种新合成的具有混合核性的多组分钴(II)共晶通过结构表征，被证明作为电极材料在混合器件中表现出增强的储能性能，特别是当与氧化还原活性电解质配对时，能够实现高能量密度和优异的循环稳定性。
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现代储能技术依赖于设备存储能量多少与释放能量快慢之间的微妙平衡。电池擅长长时间储存大量能量，而超级电容器则擅长几乎瞬间释放爆发性的功率。科学家们长期以来一直寻求一种能够结合两者优点（即电池的高能量容量与超级电容器的快速充放电速度）的混合型设备。为了制造这样一种设备，研究人员专注于两个主要部件：电极，即存储能量的固体材料；以及电解质，即允许离子在电极之间移动的液体溶液。虽然人们在设计更好的固体电极方面投入了大量关注，但液体电解质却经常被忽视，尽管它对整个系统的运行效率起着至关重要的作用。通过在电解质中引入特定的化学添加剂，可以在不改变固体材料本身的情况下，触发额外的化学反应来提升设备的性能。
在最近的一项研究中，来自巴基斯坦和土耳其的一个研究小组探索了这种方法，他们创造了一种独特的固体材料，并使用一种特殊的液体添加剂对其进行了测试。他们合成了一种由钴组成的复杂晶体，钴是一种以能够轻松在不同电学状态之间切换而闻名的金属，以及一种源自环状分子的特定有机酸。当这些成分在受控条件下混合时，它们并没有形成单一、均匀的结构。相反，该晶体生长为由七个不同的分子组紧密堆积而成的拥挤集合体。这个多组分簇包含了单原子钴、双原子钴以及三原子钴组，并由有机酸和水分子连接在一起。研究人员利用 X 射线衍射技术（一种可以绘制固体内原子精确排列图的技术）证实了这种复杂的架构。他们发现，该晶体是一个稳定的、定义明确的结构，由 13 个协同工作的钴原子组成，这种复杂性表明它可能具有有趣的电学特性。
为了测试这种材料是否可以储存能量，该团队利用该钴晶体作为其中一个电极，并以一种常见的碳材料作为另一个电极，构建了一个测试电池。他们首先在一种标准的液体电解质中测试了该设备，这是一种在许多能量实验中使用的基础溶液。结果令人鼓舞但表现平平。该设备可以储存特定量的能量并以稳定的速率输出功率，表现得有些像兼具超级电容器特性的电池。然而，研究人员怀疑液体溶液本身限制了性能。为了测试这一点，他们在液体中加入了一种氧化还原活性添加剂。简单来说，这种添加剂是一种可以轻松给出和回收电子的化学物质，就像一个穿梭机一样，在电极之间更高效地运送电荷。这种添加剂是一种含有铁和氰基的已知化合物，可在这些水性溶液中安全使用。
当研究人员再次使用含有这种添加剂的液体进行测试时，设备的性能显著提升。设备能够储存的能量增加了，而且释放能量的速度也比以前快得多。化学穿梭剂的加入使钴晶体能够更充分地参与能量存储过程，有效地提升了设备的性能水平。团队测量了设备的持电能力，发现即使经过数千次充放电循环后，它仍能保持几乎所有的初始性能。这种高度的稳定性表明该材料非常耐用，不易因反复使用而损耗。研究还分析了电流如何在系统中流动，结果显示该添加剂降低了液体内的电阻，使离子能够更自由、更快速地流动。
研究结果表明，这种特定的钴基晶体是未来储能设备的有力竞争者，但只有在与合适的液体环境配对时，其真正的潜力才能被释放。这项研究证明，改进电解质与改进电极同样重要。通过在溶液中添加一种简单的氧化还原活性化学物质，团队成功地将一种性能良好的储能材料转化为了高效的储能材料。该设备的比容量达到了每克 99.3 单位，能量密度为 35.3 瓦时每千克，功率密度为 1280 瓦每千克。这些数字代表了相对于不含添加剂设备的重要提升，不含添加剂的设备仅能达到 20.4 瓦时每千克和 825 瓦每千克的水平。研究结论指出，这种多组分钴晶体与氧化还原活性电解质的结合，为创造既强大又持久的混合储能系统提供了一条切实可行的路径，弥补了传统电池与超级电容器之间的差距。
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