Çam sakızı ile süperkapasitörler daha hızlı şarj ediliyor

Bilim adamları şimdilerde alışılagelmişin dışında süperkapasitör üretmenin anahtarı olabilecek bir maddeyle ilgileniyor: çam sakızı. Hindistanda bulunan ağaçların ürettiği bu atık sakız onlara göre nesil farkı oluşturacak, performansını yukarı taşıyacak ve çevreye verilen zararı en aza indirecek.¹

Güney Kore, Hint ve İskoç bilim insanları çok sayıda şarj-deşarj döngüsüne dayanıklı olmayan çam sakızının sahip olduğu eşsiz özelliklerinden yararlandıkları bir teknik atılım süperkapasitörler üretmeyi amaçlarken insanların geleneksel kullanımı dışında faydası sağladılar. Geliştirilen bu teknolojinin sıradan pillere nazaran düşük güce sahip olduğunu ancak şarj-deşarj süresini de çok daha aza indirdiklerini belirtiyorlar. Daha hızlı şarj olma  kapasitesine sahip bu kapasitörler çevreye verilen zararı da çok daha aza indirmiş durumda.  

Aktif olarak süperkapasitörler çok sayıda elektrikli alette, enerji santrallerinde ve araçlarda kullanılmaktadır. Fakat süperkapasitörlerin ana bileşenlerinden elektrolitlerin asidik yapısı nedeniyle kullanım ömürleri zamanla negatif yönde etkilenmektedir. Bu yüzden süperkapasitörlerin performansı, asidik elektrolitlerin elektrotta fiziksel bozulmaya yol açması nedeniyle zamanla düşmektedir. Bu durum, özellikle şarj-deşarj döngülerinin artmasıyla belirginleşir ve cihazın tam kapasitede şarj tutma kabiliyetini azaltarak ömrünü kısaltır. Bilim insanlarını çare arayışına iten bu sebeplerin elbette ki başka sonuçları da var. Örneğin bu elektrolitler metallerle tepkime verdiğinden gün geçtikçe şarj yeteneklerini kaybettirebilmektedir. 

Günümüz dünyasının en önemli sorunlarından biri olan çevre kirliliğinin önüne geçilmek için sürdürülebilir önlemler alınmalıdır. Kullanım süresi bitmiş süperkapasitörlerin atık hale gelmesi gittikçe kitlesel hale gelen elektronik atık sorununu körüklemektedir. 

Araştırmacılar, Cochlospermum Gossypium ağacının kabuğundan elde edilen gum kondagogu polisakkaritini sodyum aljinat ile harmanlayarak “KS” adını verdikleri sünger benzeri bir biyopolimer geliştirdikler.

Süperkapasitörlerde enerji depolama performansları çoğunlukla elektrot-elektrolit düzeyinde meydana gelen yüzey reaksiyonları ile ilişkilidir. Yüzey reaksiyonlarını daha aktif hale getirmek için geliştirilen KS/CNT kompozit elektrotlar, üç boyutlu gözenekliliğe ve hafif bir yapıya sahiptir. Tarama Elektron Mikroskobu (SEM) görüntüleri, elektriksel iletken ağ yapısı yolları oluşturarak performansı artıran çok duvarlı karbon nanotüpler (MWCNT’ler) KS matrisi içinde tekdüze dağıldığını ortaya koymuştur. Bu dağılım, elektrotun yapısal mukavemetini de güçlendirir. Ek olarak, Kimyasal Buhar Biriktirme (CVD) yöntemiyle uygulanan triklorometil silan (TCMS) kaplaması, elektrot yüzeyini sıvı elektrolitte çözünmeye karşı korur. Fourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektroskopi (FTIR) analizleri, bu koruyucu tabakanın varlığını ve etkililiğini doğrulayarak, elektrotun uzun süreli daldırmalarda bile ham morfolojisini koruduğunu göstermektedir. Şarj-deşarj döngüleri boyunca elektrot-elektrolit ara yüzünün bozulması, süperkapasitörlerin uzun vadeli güvenilirliği açısından kritik bir zorluk teşkil etmektedir. Bu çalışmada, KS biyopolimerinin elektrolit katkı maddesi olarak kullanılması, bu soruna yönelik etkili ve sürdürülebilir bir çözüm olarak öne çıkmaktadır. Bu yaklaşım, daha önce raporlanan yaklaşımlardan farklı olarak, arayüzün kararlılığını sağlamak için karmaşık yüzey modifikasyonları veya yeni kompozit tasarımları gerektirmemektedir.²

Sıradan bir kapasitöre KS maddesi eklendiğinde karbon elektrotlarında koruyucu bir katman meydana geldiği gözlemlendi. Bilim insanları meydana gelen bu katmanın elektrotların fiziksel bozunumunu ortadan kaldırdığını ve şarj-deşarjın temel sebebi olan iyon taşımanın üzerinde olumlu etkisi olduğunu da eklediler. 

Mevcut testler, KS katkı maddesinin süperkapasitör sisteminde elektrokimyasal kararlılığını da artırdığını göstermektedir. Bu, uzun süreli döngülerde kapasitans kaybının en az düzeyde tutulmasını sağlamıştır. Örneğin, 30.000 döngü sonrasında %93’lük bir kapasitans korunumu gözlemlenirken, tam tersi  katkısız örnekte bu oran %58 ile sınırlı kalmıştır. Bu bulgular, yeni biyopolimerin süperkapasitörlerin ömrünü uzatma potansiyelini açıkça kanıtlamaktadır.

Glasgow Üniversitesinde bulunan Dr. Cheong’a göre; ağaç sakızları gibi endüstride pek fazla kullanım alanı bulamayan atık materyallerin bile ne kadar değerli olabileceğini açıkça gösteriyor. Genellikle ilaç ya da kozmetik gibi sınırlı alanlarda değerlendirilen bu özel sakız türü, Hindistan Hükümeti için aslında bir atık sorunu oluşturuyordu. Ancak Dr. Cheong ve ekibi, bu maddeden süperkapasitörlerin ömrünü ciddi şekilde uzatabilecek, biyolojik olarak parçalanabilen ve geri dönüştürülebilir bir biyopolimer üretmeyi başardı. Onlara göre bu gelişme, atık malzemelerin yaratıcı ve sürdürülebilir yaklaşımlarla nasıl ileri teknoloji çözümlerine dönüştürülebileceğine dair çarpıcı bir örnek niteliğinde.³

Laboratuvarda 30.000 döngüde beklenenin üstünde performans gözlemlediklerini belirten Dr. Cheong’un öngörüsüne göre her gün bir döngü şeklinde çalışan süperkapasitörlerin teorik performansında bir değişiklik olmayacak. Hatta çalışmalar sonucu bu kapasitörlerin ömrü sayılır şekilde, 80 yıldan fazla, artacak. Bu sayede süperkapasitörler bir değişime ihtiyaç duymayacak ve cihazlarda çok daha uzun süre kullanılabilecek.  

Bu araştırma sonuçları lityum-iyon pillerdeki grafit anotlarda suda çözünür sakız bağlayıcıları kullanarak biyolojik atıkları pillerde işe yarar şekilde kullanmayı sağlamıştır. Gelecekte enerji depolama sektöründe biyoatık kullanımı böylece daha da artacak bu sayede hem çevre kirliliği azalacak hem de karbon azaltımına destek olacaktır.

Kaynaklar

1.  https://techxplore.com/news/2025-04-tree-gum-sustainably-supercharge-supercapacitor.html
2. Liu, B., Ye, Y., Yang, M., Liu, Y., Chen, H., Li, H., … & Qiu, J. (2024). All‐in‐one biomass‐based flexible supercapacitors with high rate performance and high energy density. Advanced Functional Materials, 34(10), 2310534.
3. Lee, S., Park, J. Y., Yoon, H., Park, J., Lee, J., Hwang, B., … & Yun, T. G. (2025). Long-lasting supercapacitor with stable electrode-electrolyte interface enabled by a biopolymer conjugate electrolyte additive. Energy Storage Materials, 77, 104195.