Süperkapasitörlerde karbon nano-soğan çekirdek yapısı ile kapasitesinin artırılması

Araştırmacılar, süperkapasitörde bu zamana kadar kaydedilen kapasitans olarak bilinen en yüksek enerji depolama seviyesine nasıl ulaştıklarını anlatıyor. Çalışmalar, Teksas Üniversitesi profesörü Luis Echegoyen ve Bialystok Tıp Üniversitesi’nden Ph. D. Marta Plonska-Brzezinska tarafından yürütülmüştür.¹

Süperkapasitörler, iki elektrot, seperatör (ayıraç) ve elektrolitten oluşur. Seperatör, iki elektrot arasında bulunan anot ve katodu ayırmak için kullanılan gözenekli iyon geçirici bir bariyerdir². Elektrotlar birbirine yakın olmasına rağmen elektriği iletmezler. Süperkapasitörler yüksek güçlü elektriği hızla ve çok sayıda döngüde depolayabilen cihazlardır. Bataryalar kimyasal dönüşümler sayesinde enerji depolar ve geri alır; süperkapasitörler ise zıt yüklü yüzeyler kullanarak enerji depolar. Süperkapasitörler bataryalara göre daha kısa sürede daha yüksek enerji depolayabilir. Elektrikli araba, otobüs, tren gibi hızlı enerji boşaltımı gerektiren makinelerde, giyilebilir ve esnek elektronik cihazlar gibi ileri teknoloji uygulamalarında, enerji nakil hatlarında kullanılır.

UTEP’de öğretim üyesi Echegoyen, ‘Bu gelecek için atılmış büyük bir adım ve bizi yüksek enerji yoğunluğuna sahip süperkapasitörler elde etmeye yaklaştırıyor. Bu da enerjiyi depolama ve yönetme şeklimizi tamamen değiştirecek. Bu dönüm noktasına ulaşan ekibin bir parçası olduğum için çok gururluyum.’ dedi.

Echegoyen’e göre süperkapasitörler yüksek potansiyele sahip çünkü bataryalara göre çok daha hızlı şarj olabilir. Bu süre saniyeler veya saniyeden daha hızlı olabilir. Ragone diyagramına göre süperkapasitörlerin bataryalara göre enerji yoğunluğu daha düşüktür ancak süperkapasitörlerin güç yoğunluğu daha fazladır. Enerji yoğunluğu; cihazın ne kadar enerji depolayabileceğini gösterir. Güç yoğunluğu; depolanan enerjinin ne kadar sürede aktarılabileceğini gösterir². 

Mevcut süperkapasitörlerin düşük miktarda enerji depolaması potansiyel uygulama alanlarını kısıtlar. Bilim adamlarına göre süperkapasitörler daha fazla enerji depolayacak şekilde üretilebilir. Ayrıca bataryalara göre daha hızlı şarj olacaklardı. Bu da ticari açıdan önemli bir durumdur.

Echegoyen ve Plonska-Brzezinska yeni bir süperkapasitör tasarladı. Bu süperkapasitörde daha fazla enerjinin depolanmasını sağlayan çok sayıda gözenek oluşturan karbon ‘nano-soğan’ çekirdek yapısına sahip malzeme kullanılmıştır. Bu sayede rekor seviyede depolama veya kapasitans elde edilmiştir.

Bu çalışma, triazin (C₃H₃N₃) bazlı yapıların küresel karbon nanoyapıları üzerinde kovalent olarak hareketsizleştirilmesinin, mikro ve mezo gözeneklerin üç boyutlu bir şekilde organizasyonuyla sonuçlandığını göstermektedir. Araştırmacılar kovalent bir organik çerçeve ve triazin halkaları oluşturmak için nitril ile işlevselleştirilmiş pirolo[3,2-b]pirol ünitesini seçti. Küresel karbon nanoyapılarının triazin çerçevesiyle birleştirilmesi, sulu asidik çözeltilerde 638 F g^-1 ile en yüksek spesifik kapasitans değerini sergileyen, benzersiz fizikokimyasal özelliklere sahip bir malzeme üretti. Yüksek yapısal organizasyon ve tekrarlanabilirlik ve oldukça yüksek özgül kapasitans sayesinde, bu sistemler elektrokimyada kullanım için umut verici malzemelerdir. İlk kez, triazin bazlı çerçeveler ve karbon nano-soğanları içeren hibrit sistemler, süper kapasitörler için elektrot olarak kullanıldı³.

Kaynaklar

1. https://techxplore.com/news/2023-07-milestone-energy-capacity-supercapacitors.html
2. http://acikerisim.btu.edu.tr/xmlui/handle/20.500.12885/98 
3. Hryniewicka, A., Breczko, J., Siemiaszko, G., Papathanassiou, A. N., Góra-Marek, K., Tarach, K. A., … & Plonska-Brzezinska, M. E. (2023). Three-dimensional organization of pyrrolo [3, 2-b] pyrrole-based triazine framework using nanostructural spherical carbon: enhancing electrochemical performance of materials for supercapacitors. Scientific Reports, 13(1), 10737.