MIT araştırmacıları, insanoğlunun kullandığı tarihi malzemelerden ikisi olan çimento ve karbon siyahı kullanılarak düşük maliyetli süperkapasitör yapmayı başardılar. Teknolojinin gelişmesiyle yenilenebilir kaynaklardan enerji üretimi ile üretilen enerjinin depolanması aynı oranda gelişmemiştir. Yapılan araştırma sayesinde de enerji depolanması konusunda önemli bir adım atılmıştır.
Kapasitörler, bir elektrolit içine daldırılmış ve zarla ayrılmış iki iletken plakadan oluşan basit cihazlardır. Kapasitöre voltaj uygulandığında elektrolitin pozitif yüklü iyonları negatif plakaya çekilirken, pozitif plaka ise negatif yüklü iyonları çeker. Plakalar arasında bulunan zar, iyonların geçişini engeller ve bu yük ayrımı plakalar arasında elektrik alan oluşturur. Oluşan elektrik alan uzun süre korunabilir ve gerektiğinde hızlı bir şekilde boşaltılabilir. Süperkapasitörler, büyük yükleri depolayan birer araçtır. Depolanan bu güç miktarı, iletken plakaların toplam yüzey alanına bağlıdır.
Yapılan kapasitör üç ana malzemeden bir araya gelmektedir. Bunlar; çimento, karbon siyahı ve sudur. Araştırmacılar bunu, oldukça iletken olan karbon siyahının çimento tozu ve su ile birlikte beton karışımına katarak yapmayı başardılar. Su, çimento ile etkileşime girerek yapı içerisinde doğal olarak dallanan bir ağ oluştururlar ve karbon, sertleşmiş çimento içinde tel benzeri yapılar oluşturarak bu boşluklara akmaktadır. Yapılar fraktal benzeri bir yapıya benzemektedir. Tel benzeri yapılar dallanır ve daha küçük dalları meydana getirir. Böylece küçük hacmin sınırları içinde daha geniş yüzey alanı oluşmaktadır. Malzeme daha sonra, karbon yapılarında biriken yüklü parçacıkları üretecek bir tür tuz olan potasyum klorür gibi standart bir elektrolite batılırılır. Araştırmacılar, ince bir boşluk veya yalıtkan bir tabaka ile ayrılan malzemeden yapılmış iki elektrotun çok güçlü bir süperkapasitör oluşturduğunu keşfetti.
MIT araştırmacılarından Doçent Admir Masic yapılan araştırma için; “Malzeme büyüleyici çünkü en çok kullanılan insan yapımı malzemeye, karbon siyahıyla birleştirilmiş çimentoya sahipsiniz, bu iyi bilinen bir tarihsel malzemedir. Ölü Deniz Yazmaları onunla yazılmıştır. En az iki bin yıllık bu malzemelerin belirli bir şekilde birleştirdiğinizde iletken bir nanokompozit elde edersiniz ve işte o zaman işler gerçekten ilginç hale gelir.” dedi. Bu süreç, ucuz ve dünyanın herhangi bir yerinde kolayca bulunabilen malzemelerle kolayca tekrarlanabilir. Masic, süzülmüş bir karbon ağı elde etmek için gereken karbon miktarının çok küçük (karışımın hacmine göre <%3) olduğunu söyledi.
MIT profesörlerinden Franz-Josef Ulm, bu malzemelerden yapılan süperkapasitörlerin, yenilenebilir enerjiye geçişine yardımcı olmak için büyük bir potansiyele sahip olduğunu söyledi. Yenilenebilir enerjinin kaynaklarından elde edilen enerjinin değişken zamanlarda, değişkenlik gösterdiği için bu enerjinin depolanması önemlidir. Ulm konu ile ilgili olarak “Büyük enerji depolamaya çok büyük ihtiyaç var.” dedi.
Mevcut olarak kullandığımız pillerde pahalı ve tedarik etmesi zor olan lityum kullanılmasından ötürü daha ucuz ve tedariği kolay olan bir alternatife ihtiyaç duyulmaktadır. Bu konu hakkında Ulm, “Teknolojimizin son derece umut verici olduğu yer burası çünkü çimento her yerde bulunmaktadır.” dedi.
Malzemelerin birleşmesiyle elde edilen süperkapasitörün pillere alternatif olması planlanmaktadır. Örnek olarak, süperkapasitörlerin bir evin beton temeline dahil edilerek, evin bir günlük enerjisinin depolanabileceği söyleniyor. Yapılan bu malzeme ev için dayanıklılık alanında ve maliyet açısından bir olumsuzluk göstermemektedir. Bir diğer düşünülen kullanım alanı ise elektrikli arabaların üzerinde seyahat ettiği yollara entegre ederek temassız bir şekilde şarj edecek yollar tasarlanabileceğini söylemektedirler. Süperkapasitörler enerji depolayabilmesinin yanı sıra, aynı tür beton karışımı, karbon katkılı betona basitçe elektrik uygulanıp bir ısıtma sistemi olarak kullanılabilir.
Ekip geliştirdiği bir araştırma ile 45 metreküp büyüklüğünde bir nanokarbon-siyah katkılı beton bloğunun yaklaşık 10 kWh enerji depolamak için yeterli kapasiteye sahip olacağını hesapladı. Bu değer bir hanenin bir günlük enerji ihtiyacının ortalaması olarak kabul edilmektedir.
Yapılan deneylerle birlikte süperkapasitörün depolama kapasitesi ile karbon siyahının arasında doğru orantı olduğunu buldular. Daha fazla karbon siyahı eklendikçe depolama miktarının arttığı gözlemlendi ancak daha fazla eklenmesiyle betonun zayıfladığı görülmüştür. Yapılan araştırmalar neticesinde doğru oranın karşımda yaklaşık %10 karbon siyahı olması gerektiğini buldular.
Araştırmacılar tarafından, bu malzemenin ilk kullanım alanlarının, beton süperkapasitörlerine bağlı güneş panelleri tarafından çalıştırılabilen, şebeke gücünden uzakta izole edilmiş evler, binalar veya sığınaklar için olabileceği söylendi. Ulm, “Yani, gerçekten çok işlevli bir malzeme. Enerji geçişinin bir parçası olarak betonun geleceğine bakmanın yeni bir yolu” dedi.
Kaynaklar