הידרוקסידים היררכיים של Co–Ni משולבים עם צינורות פחמן באמצעות תבניות ZIF-67 לסופרקבלות בעלות ביצועים גבוהים

מדוע אחסון אנרגיה טוב יותר חשוב

ממכוניות חשמליות ועד אספקת גיבוי לבתים, אנו תלויים יותר ויותר במכשירים שיכולים לאחסן אנרגיה במהירות, בבטחה ולמשך זמן רב. סופרקבלים הם אחת מהטכנולוגיות האלה: הם יכולים להיטען ולהתפרק בתוך שניות ולהחזיק מעמד למאות אלפי מחזורים. עם זאת, סופרקבלים של היום עדיין מתקשים לאחסן מספיק אנרגיה לשימושים רבים במציאות. מחקר זה חוקר דרך חדשה לבנות את החומרים המובנים הקטנים שנמצאים בתוך הסופרקבלים, במטרה להגדיל את קיבולת האחסון שלהם, לאפשר טעינה מהירה יותר ולשפר את עמידותם לאורך שנים של שימוש חוזר.

לבנים לבניית כוח מהיר

הלב של כל סופרקבל הוא האלקטרודה שלו, החומר שנמצא במגע עם האלקטרוליט הנוזלי או הג'לי ומאחסן בפועל את המטען. החוקרים התמקדו בשילוב של שלושה מרכיבים שונים שלכל אחד מהם תכונה מועילה. ראשית, הידרוקסידים דו‑שכבתיים של קובלט‑ניקל, שהם מבנים דקים בדומה לעלים, עשירים באתרים כימיים שיכולים לאחסן מטען באופן זמני באמצעות תגובות חמצון‑חיזור מהירות. לבדן, עלים אלו מוליכים חשמל באופן לקוי ומאפשרים יונים לנוע דרכם באיטיות. שנית, צינורות פחמן (CNT), גלילים קטנים וחלולים של פחמן שמספקים דרכי הולכה חשמליות מצוינות וחוזק מכני. ושלישית, גביש מחורר הנקרא ZIF‑67, שפועל כתבנית או שלד שעוזר לעצב את החומר הסופי, ובו בזמן מוסיף שטח פנים פנימי עצום.

מתכון עדין למבנה מורכב

במקום להשתמש בתהליכי חום גבוה שעלולים לפגוע במבנים העדינים, הצוות תכנן שיטה מבוססת תמיסה ובטמפרטורה נמוכה להרכבת המרכיבים האלה. תחילה טיפלו בצינורות הפחמן המסחריים בחומצות כך שמשטחיהם יישאו קבוצות כימיות היכולות לעגן את עלוני הידרוקסיד המתכת. לאחר מכן הם גדלו הידרוקסיד קובלט‑ניקל ישירות על הצינורות, ויצרו עלונים דקים משולבים סביב רשת הפחמן. בשלב האחרון הוסיפו גבישי ZIF‑67, ששימשו הן כמקור לקובלט והן כתבנית קורבנית שהנחתה גדילה נוספת. במהלך התהליך צורכו חלקים ניכרים מ‑ZIF‑67 בהדרגה, והשאירו מאחור רשת היררכית וגָזוּרית שבה צינורות הפחמן, עלוני הידרוקסיד המתכת ושאריות של השלד המקורי משולבים בצפיפות.

מבט פנימי על החומר החדש

כדי לאשר את מה שיצרו, המחברים השתמשו במערך כלים רגישים למבנה ולשטח. דיפרקציית רנטגן הראתה שמבני הגביש גם של ההידרוקסידים הדו‑שכבתיים וגם של ZIF‑67 שולבו בהצלחה בקומפוזיט ונשארו יציבים, אפילו כאשר הוסיפו יותר צינורות פחמן. תמונות במיקרוסקופ אלקטרונים חשפו עלונים על‑דקי‑מדה הפשוטים שנפרשו מעל ובין צרורות הצינורות, עם חלקיקים גבישיים קטנים המוטמעים ביניהם — עדות לרשת מעורבת באופן אינטימי. מדידות ספיחת גז הדגימו כי הדגימות הטובות ביותר, ובמיוחד אלה המכילות גם צינורות פחמן וגם ZIF‑67, הציגו שטחי פנים פנימיים גבוהים מאוד ותערובת מאוזנת של נקבוביות קטנות ובינוניות. הנקבוביות הללו פועלות כמו מבוך של מסדרונות זעירים, ומאפשרות ליוני האלקטרוליט להגיע במהירות לאתרים הפעילים ובו‑זמנית מספקות שטח רב לאחסון מטען.

מהמבנה לביצועים

המבחן האמיתי היה עד כמה החומרים האלה מתפקדים כאלקטרודות סופרקבל. במדידות אלקטרוכימיות, הוספה פשוטה של צינורות פחמן להידרוקסיד קובלט‑ניקל שיפרה באופן ניכר את יכולתו לאחסן מטען ואת כושרו לפעול בקצבי טעינה גבוהים. הדגימה הטובה ביותר מבוססת‑צינורות הגיעה לקיבול סגולי של 870 פאראד לגרם בזרם מתון ועדיין שמרה על 85 אחוז מהערך הזה בזרם שגבוה פי עשרה, מה שמעיד על טעינה ופריקה מהירים. כאשר ZIF‑67 נכלל בעיצוב, הביצועים השתפרו אף יותר. הקומפוזיט המוביל, שנקרא CNCZ30, סיפק כ‑903 פאראד לגרם ושמר על 72 אחוז מהקיבול שלו בזרם גבוה. כמו כן הראה התנגדות נמוכה מאוד לזרימת מטען ושמר 96.6 אחוז מהקיבול ההתחלתי שלו לאחר 7,000 מחזורי טעינה‑פריקה — סימן ליציבות ארוכת‑טווח מצוינת.

מה זה אומר למכשירים עתידיים

ללא מומחים, המסר המרכזי הוא כי סידור מדוד של מרכיבים בקנה מידה ננו יכול לייצר אלקטרודות שגם מהירות וגם עמידות. בעבודה זו, צינורות הפחמן פועלים כבין מהירים לאלקטרונים, עלוני הידרוקסיד הקובלט‑ניקל מספקים אתרי אחסון מטען בשפע, והשלד המופק מ‑ZIF פותח נוף פנימי עצום לתנועת יונים. יחד הם יוצרים סינרגיה של הולכה‑וסינטון חמצון/חיזור שמתגברת על חולשותיהם של כל מרכיב בנפרד. למרות שהחומרים הללו עדיין בשלב המעבדה, הקיבולת הגבוהה שלהם, ביצועי הקצב החזקים וחיי ההפעלה הארוכים מרמזים שהם יכולים לסייע באספקת אנרגיה לדורות העתיד של מכשירי טעינה מהירה וכוח גבוה, החל במכשירים ניידים ועד לתחבורה חשמלית ולגיבוי ברמת הרשת.

ציטוט: Gohr, M.S., Rafea, M.A., Wazeer, W. et al. Hierarchical Co–Ni hydroxides integrated with carbon nanotubes via ZIF-67 templates for high-performance supercapacitors. Sci Rep 16, 14226 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42472-5

מילות מפתח: סופרקבלים, ננו‑קומפוזיטים, צינורות פחמן, אחסון אנרגיה, חומרי אלקטרודה