SüperKapasitörler
Süperkapasitörler yüksek güç performansları, uzun yaşam süreleri ve maliyetteki düşüklüklerinden dolayı, enerji depolama sistemlerinde çok önemli bir yer tutarlar [1]. Pseudokapasitif malzemeler olarak metal oksitler, yüksek spesifik kapasitansları, yüksek enerji ve güç yoğunlukları ile süperkapasitörlerin önemli bir sınıfını oluştururlar [2].
Literatürde, simetrik elektrot olarak bağlayıcı kullanmadan tek duvarlı karbon nanotüp (KNT) ince filmler dimetilsiloksan yüzeyine vakum filtrasyon ile kaplanmaktadır. Spesifik kapasitans (Csp= 22.2 F×g-1), güç yoğunluğu (P= 41.5 kW×kg-1), kapasite koruma yüzdesi (%94), 500 döngü sonrası elde edilmiştir [3]. Pseudokapasitif malzemeler, metal oksitler (Ru2O, IrO2 ve MnO2) ve iletken polimerler (polianilin ve polipirol vb.) süperkapasitif elektrot ve cihaz yapımında yoğun olarak kullanılmaktadır [4-6].
Giriş
İleri performansları ile yeni elektrot malzemeleri ve cihaz yapımına odaklanılmıştır. Süperkapasitör elektrot malzemeleri 3 kategoride sınıflandırılırlar. 1) Yüksek yüzeyli
karbonlar, 2) Geçiş metal oksitler, 3) İletken polimerler [7].
Bunlar arasında mangan (IV) oksit (MnO2) süperkapasitör elektrot malzemeleri arasında düşük fiyatı, doğal dağılımı ve iyi çevresel uyumluluğu sayesinde oldukça popülerdir [8, 9]. Yang ve grubu polianilin ve polipirol’ü tabaka arasına sokma ile mangan (IV) oksit nanokompozit sınırlama metodu ile sentezlenmesine rağmen, su sistemi içinde bunu başaramadı, ancak yüzey aktif madde ile organik çözücü (NMP) kullanımı ile başarabildiler [10, 11].
Ticari süperkapasitörlerde maksimum spesifik enerji 5-6 Wh/kg olarak tespit edilirken, halbuki kurşun asit pillerde 35-40 Wh/kg’dır. Lityum iyon pillerde maksimum spesifik enerji 150-200 Wh/kg’dır. Süperkapasitör pilde (organik veya iyonal), spesifik enerji pilin spesifik kapasitansı ve çalışma voltajı ile ilgilidir. Aktif ve nano por karbonlar ticari süperkapasitörler için anahtar malzemelerdir [12]. Süperkapasitörlerde biriken elektrik enerjisi (E), kapasitans©, depolanan yük (Q) ve voltaj (V) ile ilgilidir. E= (C×V2)/2= (Q×V)/2 formülü ile hesaplanır. Kapasitans ve depolanan yük, kullanılan elektrot malzemeye, uygulanan voltaja bağlıdır. Enerji yoğunluğunu arttırmak için yüksek kapasitanslı malzeme kullanımı oldukça önemlidir. Genellikle, çoğu pilden süperkapasitörlerde daha yüksek seri dirençten dolayı güç yoğunluğu istenildiği kadar yüksek elde edinilmeyebilir.
Güç yoğunluğu ise; P= V2 / 4×Rs formülü ile hesaplanır. Bu formülde Rs iki elektrodun eşdeğer seri direncidir (ESR). Pseudokapasitörler iletken polimerlerle uygulanırlar. Poliasetilen, polipirol, polianilin, metal oksitler (RuO2, Co3O4 vb.) [13, 14] veya polimer oksit kompozit [15, 16] elektrot malzemesi olarak kullanılırlar.
Elektrokimyasal kapasitörler veya süperkapasitörler enerji depolama uygulamalarından dolayı pil ve yakıt hücrelerinin yanında oldukça ilgi çekmektedirler [17]. Süperkapasitörler ticari dielektrik kapasitörler (yüksek güç yoğunluğu) ve piller (yüksek enerji yoğunluğu) arasında güç/enerji köprüsü olarak hizmet verirler.
Elektrot malzemesinin gelişimi fiyat, gelişmiş performans, enerji etkinliği ve günlük ceşitli uygulamalarda çevre dostu güç kaynağı olmaları nedeniyle oldukça önemlidir. Pul pul olan grafen oksit tabakalarının su ve hidrazin hidrat ile kolloid süspansiyon indirgemesi sonucu yüksek yüzey alanına sahip karbon
malzemeler elde edilir. Bu malzemeler grafen temelli karbon tabakalar içerir [18]. Spesifik yüzey alanını, elektrik iletkenliği ve spesifik kapasitansı arttırmak için KOH kullanımı ile çok duvarlı karbon nanotüpler kimyasal olarak aktive edilirler. Kompozit olarak MnO2/ karbon nanotüp (KNT) birlikte çöktürme metodu ile fiziksel ve elektrokimyasal özellikler süperkapasitör elektrot malzemesi olarak uygulanabilir.
Karşılaştırma olarak MnO2/KNT kompoziti ve KNT karakterize edilip 1 M Na2SO4 çözeltisi içinde ölçümler alınmıştır. CV metodu ile 10 mV×s-1’den 100 mV×s-1’ye aktive edilmiş spesifik kapasitans 250 F×g-1 ve 184 F×g-1 sırasıyla elde edilirken, MnO2/KNT kompozit için 215 F×g-1 ve 138 F×g-1 sırasıyla elde edilmiştir. KNT’ün aktivasyonundan dolayı, MnO2/KNT kompozit elektrot kapasitans ve döngü performansı açısından daha yüksek sonuçlar vermiştir [19]. Polivinilkarbazol (PVK) / KNT kompozit sentezi 2 metodla raporlanmıştır. Bunlardan birincisi KNT ile polimerin direkt karışımı, diğeri ise karbon nanoparçacıklarının bulunduğu monomerin kimyasal polimerizasyonudur [20, 21].
Sonuçlar
Süperkapasitörler enerji depolama cihazları olarak birçok alanda kullanılırlar. Süperkapasitor elektrot malzemesinin 3 temel gereksinimi vardır. 1- Yüksek kapasitans, 2- Düşük direnç, 3- Stabilite.
Bu noktada spesifik yüzey alanı kapasitör performansta tek belirleyici etken değildir. Özellikle karbon nanotüp malzeme kapasitansında birçok faktör mevcuttur. 1- Spesifik yüzey alanı, 2- Por boyutu, 3- Por boyut dağılımı, 4- İletkenlik vb.
Kapasitansı arttırmak için birçok metod kullanılır. Örneğin; fonksiyonellendirme, oksidasyon ve doplama ile yüksek kapasitans, iletkenlik, hızlı iyon hareketi kullanılır. Yüksek kapasitanslar KNT ile metaloksit, polimer veya her ikisini de içeren malzemeler hazırlanmaktadır.
Hibrit süperkapasitörler oksit nanopartiküller ile kimyasal birleşme sonucu KNT veya polimer yüzeyine bağlanma ile kontrollü kalınlık sağlanabilir. Bütün bu araştırmalara rağmen hibrit süperkapasitörlerin stabilite problemini çözmek hala soru işaretidir.
Sonuç olarak; süperkapasitör cihaz tasarımı ve yüksek kapasitans, enerji ve güç yoğunluğu elde etmek, başlangıçta malzeme tasarımı, kullanılan akım toplayıcı ve membran ile elektrolit çeşidi, potansiyel pencere, uygulanan metod gibi birçok parametrenin optimum seviyede biraraya getirilmesi ve birçok deneme yapılmasına bağlıdır. Grubumuzda bu konu ile ilgili yıllarca yoğun olarak çalışmalar devam etmektedir [22-29]. Aynı zamanda University of California
Los Angeles (UCLA) ta Chemistry and Biochemistry bölümünde 6.5 ay Prof. Dr. Richard B. Kaner ile ortak çalışmalar yapılmış ve halen işbirlikleri devam etmektedir.
Doç. Dr. Murat Ateş - Kimya Bölümü - Fiziksel Kimya Anabilim Dalı - Fen-Edebiyat Fakültesi - Namık Kemal Üniversitesi
Referanslar
[1] A.S. Arice, P. Bruce, B. Scrosati, J.M. Tarascon, W. van Schalkwijk, Nat. Mater, 4 (2005) 366.
[2] R. Ma, Y. Bando, L. Zhang, T. Sasaki, Adv. Mater. 16 (2004) 918.
[3] R. Yuksel, Z. Sarioba, A. Cirpan, P. Hiralal, H.E. Unalan, ACS Appl. Mater & Interfaces, 6 (2014) 15434.
[4] P.C. Chen, G. Shen, S. Sukcharoenchoke, C. Zhou, Appl. Phys. Lett., 94 (2009) 043113.
[5] P. Hiralal, H. Wang, H.E. Unalan, Y. Liu, M. Rouvala, D. Wei, P. Andrew, G.A.J. Amaratunga, J. Mater. Chem., 21 (2011) 17810.
[6] G. Wang, L. Zhang, J. Zhang. Chem. Soc. Rev., 41 (2012) 797.
[7] V. Gupta, N. Miura. Electrochem. Solid-State Lett., 8 (2005) a630.
[8] R.R. Jaing, T. Huang, J.L. Liu, J.H. Zhuang, A.S. Yu, Electrochim. Acta, 54 (2009) 3047.
[9] K.W. Nam, C.W. Lee, X.Q. Yang, B.W. Cho, W.S. Yoon, K.B. Kim, J. Power Sources, 188 (2009) 323.
[10] X. Zhang, L.Y. Ji, S.C. Zhang, W,S. Yang. J. Power Sources, 173 (2007)1017.
[11] X. Zhang, W.S. Yang, Y.W. Ma, Electrochem. Solid- State Lett., 12 (2009) A95.
[12] H. Yang, M. Yoshio, K. Kuramoto, Electrochemical and Solid State Letters, 5 (2002) 141.
[13] P. Ragupathy, H.N. Vason, N. Munichandraiah, J. Power Sources, 155 (2008) A34.
[14] K. Macounova, I. Jirka, A. Trojanek, M. Makarova, Z. Samec, P. Krtil, J. Electrochem. Soc., 154 (2007) A1077.
[15] B.E. Conway, J. Electrochem. Soc., 138 (1991) 1539.
[16] L.M. Huang, H.Z. Lin, T.C. Wen, A. Gopalan, Electrochim. Acta, 52 (2006) 1058.
[17] B.E. Conway, Electrochemical supercapacitors: Scientific, Fundamentals and Technological Applications, Kluwer, New York, 1999.
[18] S. Stankovich, D.A. Dikin, R.D. Piner, K.A. Kohlhaas, A. Kleinhammes, Y. Jia, Y. Wu, S.T. Nguyen, R.S. Ruoff, Carbon, 45 (2007) 1558.
[19] J.M. Ko, K.M. Kim, Materials Chemistry and Physics, 114 (2009) 837.
[20] W. Wu, J.X. Li, L.Q. Liu, L.M. Yanga, Z.X. Guo, L.M. Dai, D.B. Zhu, Chemical Physics Letters, 364 (2002) 196.
[21] W. Wang, Y. Lin, Y.P. Sun, Polymer, 46 (2005) 8634.
[22] M. Ates, F. Arican, Int. J. Polym. Mater., 64 (2015) 125.
[23] M. Ates, N. Uludag, Int. J. Polym. Mater., baskıda (2015).
[24] M. Ates, N. Eren, Iranian Polymer Journal, 23 (2014) 581.
[25] M. Ates, N. Uludag, F. Arican, Polymer Bulletin, 71 (2014) 1557.
[26] M. Ates, N. Uludag, T. Karazehir, F. Arican, eXPRESS Polymer Letters, 8 (2014) 480.
[27] M. Ates, N. Uludag, T. Karazehir, F. Arican, Polymer- Plastics Technology and Engineering, 53 (2014) 1070.
[28] M. Ates, N. Uludag, F. Arican, High Performance Polymers, 26 (2014) 587.
[29] M. Ates, N. Eren, I. Osken, S. Baslilar, T. Ozturk, J. Appl. Polym. Sci., 131 (2014) 40061.
