High-temperature behavior at 100 ℃ of nanoporous copper-metal-organic framework for strong duration symmetrical solid-state supercapacitors

Siêu tụ điện là thiết bị lưu trữ năng lượng có mật độ điện dung và mật độ công suất cao, có khả năng phóng năng lượng nhanh chóng và hiệu quả, thân thiện với môi trường.

Trong bài báo, nhóm tác giả đề xuất thiết kế một loại siêu tụ điện rắn loại mới với điện cực là vật liệu hữu cơ MOF, cụ thể hơn là Cu-BTC và Cu-BDC dạng cấu trúc lục giác với chất điện phân là polymer gel PVA–LiCl–NaCl. Do tính đối xứng về mặt cấu trúc của điện cực Cu-MOF, khả năng lưu trữ năng lượng của siêu tụ được cải thiện đáng kể do có việc điện dung từ lớp kép và điện dung giả. Hơn nữa, hệ chất điện phân polymer gel kép tạo ra hai loại cation với kích thước khác nhau là lithium và natri, giúp tăng cường khả năng khuếch tán ion trong quá trình sạc – xả. Tương tác giữa các điện cực Cu-BTC/Cu-BDC và các ion kim loại trong chất điện phân PVA–LiCl–NaCl đã được khảo sát thông qua tính toán lý thuyết hàm mật độ (DFT), từ đó cho thấy vật liệu Cu-MOF là ứng cử viên tiềm năng cho siêu tụ điện với khả năng lưu trữ năng lượng tốt và độ ổn định cơ học cao. Các điện cực Cu-MOF không chỉ cung cấp một lớp xốp làm khung chứa và hỗ trợ khuếch tán ion mà còn tăng cường khả năng lưu trữ điện tích.

Bài báo tập trung vào nghiên cứu các đặc tính điện hóa của tụ ở vùng nhiệt độ cao. Đây là một phương pháp tiếp cận mới trong việc khảo sát các đặc tính điện hóa khi tiếp xúc với môi trường nhiệt độ cao. Các kết quả nghiên cứu đặc biệt hữu ích cho việc dùng siêu tụ điện trong các mạch và thiết bị điện tử hoạt động trong khoảng nhiệt độ từ 80 đến 100 °C.

Đó là nội dung nghiên cứu trong bài báo “High-temperature behavior at 100 ℃ of nanoporous copper-metal-organic framework for strong duration symmetrical solid-state supercapacitors” thuộc danh mục ISI (Q1) của nhóm tác giả TS. Trần Thị Nhàn giảng viên Vật lý khoa Khoa học cơ bản, trường Đại học Công nghiệp Hà Nội; TS. Lê Phước Anh; Cử nhân. Vương Thị Thùy Trang; Cử nhân Lã Duy Việt; Cử nhân Vũ Văn Hào; TS. Nguyễn Đăng Tùng; TS. Nguyễn Phi Long; TS. Phùng Thị Việt Bắc - Trường Đại học VinUniserity; TS. Lê Văn Hoàng - Trường Đại học khoa học Tự nhiên, Đại học Thái Nguyên. Bài báo được xuất bản online ngày 7 tháng 5 năm 2025 và đăng trực tiếp trong tập 530 tạp chí Electrochimica Acta ngày 01 tháng 08 năm 2025 trang 146408.

Abstract: Our work showcases a remarkable supercapacitor structure that utilizes pure Cu-MOF materials, with the goal of introducing promising supercapacitor materials. In this report, the symmetrical solid-state supercapacitors based on metal-organic framework (MOF) electrodes of Cu-BTC and Cu-BDC, respectively, in combination with coupling gel polymer electrolyte (GPE) of the PVA-LiCl-NaCl system, are studied under a high-temperature behavior measurement. The supercapacitors are based on electrodes composed solely of Cu-MOF material, and they perform on par with commercial carbon materials like graphite and charcoal. Additionally, the supercapacitor based on MOF electrodes exhibits good stability after a long time of 5000 charge-discharge cycles and high-temperature behavior at 100 °C. Notably, the supercapacitor devices exhibit the good electrochemical performances of 150 and 120 F g⁻¹ for Cu-BTC and Cu-BDC electrodes at 100 °C, respectively. First-principles calculations indicate that Cu-MOF electrodes are mechanically stable in PVA-LiCl-NaCl electrolyte and offer a great number of active Li/Na adsorption sites. Moreover, the adsorption of electrolyte ions enhances the pseudocapacitive behavior and electrolyte ion diffusion of Cu-MOF electrodes. This research focuses on the electrochemical ability directly related to thermal abuse via high-temperature behavior from the perspective of thermal runaway and supercapacitor safety. Thus, it provides an interesting view and a promising application for MOF materials in energy storage applications.

Keyword: temperature behavior; nanoporous copper; supercapacitor structure; Cu- MOF;

Toàn văn bài báo tải về tại đây: https://doi.org/10.1016/j.electacta.2025.146408