Elektrikli araç teknolojilerindeki ivme ve yeşil enerjiye geçiş süreci, daha güçlü ve verimli enerji depolama sistemlerini zorunlu kılıyor. Süperkapasitörler ve kapasitif deiyonizasyon sistemleri, milisaniyeler içinde şarj olabilme yetenekleriyle geleneksel bataryaların aksine anlık yüksek güç sunabilen kritik bileşenler arasında yer alıyor. Bu cihazların temelinde ise geniş yüzey alanları ve karmaşık iç yapılarıyla bilinen gözenekli karbon elektrotlar bulunuyor. Ancak bu gözenekli ağların içerisinde gerçekleşen iyon hareketlerini tam olarak anlamak ve ölçümlemek uzun yıllardır bilim dünyasının önündeki en büyük engellerden biriydi.
Elektrokimyasal enerji depolama sistemlerinin performansını doğrudan belirleyen temel faktör, elektrolit iyonlarının karbon elektrodun karmaşık gözenek kanalları içindeki hareket hızıdır. İyonların gözenekler arasındaki değiş-tokuş dinamikleri (ion-exchange kinetics) hızlı şarj ve deşarjın kilit anahtarıdır. Ancak nanometre ölçeğindeki mikro ve mezogözeneklerden oluşan heterojen ağ yapısı, iyon transferinin doğrudan izlenmesini aşırı derecede zorlaştırmaktadır.1
Nükleer Manyetik Rezonans (NMR) spektroskopisi ve iki boyutlu değiş-tokuş spektroskopisi (2D EXSY NMR), iyonların bu gözenek ortamlarındaki geçişlerini gözlemlemek için güçlü yöntemlerdir. Fakat geleneksel modeller;
- İki farklı bölge arasındaki iyon popülasyonlarının eşit olduğunu varsaymakta
- Durulma etkilerini ihmal etmekte
- Mikro seviyedeki tersinirlik ilkelerini tam olarak yansıtamamakta
- İyon hareketini yalnızca tek veya iki sabit hız değeriyle kısıtlamaktadır.
Bu durum gerçekte var olan gözenek boyut çeşitliliği ve karmaşık iyon-yüzey etkileşimlerini açıklamakta yetersiz kalmaktadır.2
Cambridge Üniversitesinden akademisyenlerin de yer aldığı araştırma ekibi bu kısıtlamaları aşan yeni bir analitik yöntem geliştirdi. Çalışmada asimetrik iyon popülasyonları ve durulma süreleri hesaba katılarak gözenekler arası iyon transfer hızı “lognormal hız dağılımı” fonksiyonu ile tanımlandı.
Araştırma kapsamında mezogözenekli CMK-3 karbon malzemesi ile hiyerarşik yapılı ST-CMK-3 karbon malzemesi sulu LiTFSI elektroliti içerisinde incelendi. İki boyutlu NMR ölçümleri sayesinde, elektrot sistemlerinde üç farklı bölge arasındaki (gözenek dışı, mezogözenek ve mikro gözenek) iyon değiş-tokuşu deneysel olarak ilk kez doğrudan görüntülendi. Geliştirilen yöntem sayesinde hiyerarşik gözenek yapısına sahip ST-CMK-3 elektrotlarında iyonların mezo gözeneklerden dış ortama geçiş hızının (değiş-tokuş katsayısı ∼700 s-1), tek boyutlu mezogözenek kanallarına sahip CMK-3’e göre (∼181 s-1) belirgin şekilde daha yüksek olduğu saptandı. Birbirleriyle bağlantılı mikro-mezogözenek sınırlarının, iyonların malzeme içindeki ortalama yolunu kısalttığını ve iyon hareketliliğini yön bağımlı olarak ciddi oranda hızlandırdığı kanıtlandı.2
Bu keşfin; yüksek hızlı süperkapasitörler, deniz suyundan tuz arıtma (kapasitif deiyonizasyon), karbondioksit yakalama ve hidrojen depolama teknolojileri için daha verimli, özel mimariye sahip karbon malzemelerin tasarlanmasına doğrudan rehberlik edeceği öngörülüyor.3
Kaynaklar
- Lahrar, E. H., & Merlet, C. (2025). Investigating the effect of particle size distribution and complex exchange dynamics on NMR spectra of ions diffusing in disordered porous carbons through a mesoscopic model. Faraday Discussions, 255, 355-369.
- Enninful, H. R., Hermesdorf, M., Khan, M. A., Leistenschneider, D., Oschatz, M., & Valiullin, R. (2026). Asymmetric Multi‐Site Ion Exchange in Porous Carbon Electrodes. Advanced Energy Materials, e71010.
- Asres, N. E., Mysyk, R., Gómez, K., Carriazo, D., & del Amo, J. M. L. (2025). Understanding the effect of nanosized carbon texture on ion adsorption and electrochemical response via in-situ time-evolution solid-state NMR. Energy Storage Materials, 77, 104172.