Süperkapasitör, kapasitans değeri diğer kapasitörlerden çok daha yüksek olan elektrokimyasal kapasitörlerdir. Elektrik elektronik uygulamalarda kısa ama güçlü enerji gereksinimlerini sağlar. Süperkapasitörler, akıllı telefonlar, otomobiller ve kompakt elektronik cihazlar dahil olmak üzere çeşitli uygulamalarda yaygın olarak yedek güç kaynakları olarak kullanılır. Ayrıca, düşük güçlü elektronik cihazlar (giyilebilir, taşınabilir) ve yüksek güçlü askeri uygulamalarda da (güdümlü füze teknikleri ve son derece hassas deniz savaş başlıkları) kullanılır1.
Süperkapasitörlerin yük depolama kapasiteleri, elektrot ve elektrolit malzemelerin seçiminden önemli ölçüde etkilenebilir (örneğin, yüzey redoks mekanizmaları yoluyla). Süperkapasitör elektrot yüzeyine kaplanan polimerin tipi, zincir mimarisi ve yük dağılımı gibi parametrelerinin deneysel çalışmalardan önce matematik modellerle çalışılması avantaj sağlar. Şarj edilebilir piller gibi mevcut enerji depolama seçeneklerinden kapasitör çeşitlerinde bu matematik modellerle simülasyon çalışmaları daha da önemli hale gelmektedir1.
Süperkapasitörler daha az aşınma gösterir ve ortalama olarak pillerden 5 ila 10 yıl daha uzun süre dayanır. Ek olarak, süperkapasitörlerin çalışma sıcaklık aralığı (-40 °C ila +65 °C) lityum iyon pillerinden daha geniştir ve olağanüstü etkinlik gösterir.
Elektrokimyasal kapasitörler, iyon geçirgen bir zar (ayırıcı) ile ayrılmış iki elektrottan ve her iki elektrodu iyonik olarak bağlayan bir elektrolitten oluşur. Elektrolitin en basit örneği sofra tuzudur; suda çözündüğünde Na+ ve Cl– iyonlarına ayrışır. Elektrotlar uygulanan bir voltajla polarize edildiğinde, elektrolit içindeki iyonlar elektrotun polaritesine zıt polariteye sahip elektrik çift katman (EDL) ları oluşturur. Süper kapasitördeki yük, arayüzde oluşan bu EDL içinde birikir. Birinci katman elektrodun kendisine karşılık gelirken, ikinci katman elektrostatik çekim kuvvetleri tarafından elektrota doğru çekilen elektrolit iyonlarını içerir.
Matematik model
Moskova Elektronik ve Matematik Enstitüsü (MIEM) araştırmacıları, geleneksel düşük moleküler ağırlıklı elektrolitlerin polimer bazlı alternatiflerle değiştirildiği bir EDL’nin matematiksel modelini (öz uyumlu alan teorisi ve Lifshitz teorisine benzer) tasarladılar. Polielektrolitler, elektrik kapasitansının, yani bir cihazın ne kadar elektrik depolayabileceğinin artırılmasına yardımcı olur çünkü yüklü bir polimer zinciri, düşük moleküler ağırlıklı bir elektrolite göre elektrota doğru daha verimli bir çekim sergiler2.
Düşük moleküler ağırlıklı elektrolitler, serbest hareket eden katyonlar ve anyonlarla organik tuzları, asitleri ve bazları kapsar. Polimer elektrolitler veya polielektrolitler, bir tipteki iyonların (katyonlar gibi) uzun polimer zincirleri içinde çapraz bağlandığı, diğer tipin (anyonların) hareketli kaldığı daha karmaşık bileşiklerdir.
Süperkapasitörün elektrotları, yüksek iletken metalik akım toplayıcılardan ve gözenekli bir yapıya sahip bir aktif karbon parçasından oluşur. Aktif karbonun gözenekli yapısı, elektrotlar ile elektrolit arasındaki temas yüzeyini artırır. Paralel plaka kapasitör teorisine göre bir süperkapasitörün kapasitansının, aktif karbon ve elektrolit arasındaki artan temas yüzeyi ile doğrusal olarak artar. Bunun yanında pratikte elektrotların gözenek boyutları oldukça önem arz etmektedir3.
Yeni model, ilk kez elektrotun gözenekleri aşırı dar olduğunda (1 nm’ye eşit veya daha az kalınlıkta), elektrolitin polimer zincirlerinin, gözenek duvarları tarafından uyguladığı elektrostatik itme nedeniyle bunlara nüfuz edemediğini açıkladı.
Çalışmanın yazarlarından biri olan MIEM Profesörü Yury Budkov, “Makarna ve kevgir ile bir benzetme düşünün. Hem uzun hem de kısa makarna alırsak, kısa parçaların kevgirden geçmesi daha kolaydır. Ancak delikler ne kadar büyükse, uzun makarnanın kayma olasılığı o kadar yüksektir. Polimer zincirleri, dar bir gözenekten geçmesi çok zor olabilen uzun makarnaya benzetebiliriz.” diyor.
Bu olay, iyon boyutları tipik olarak 0,3 ila 0,4 nm arasında değiştiği için 1 nm büyüklüğünde bir gözenek içinde kolayca hareket etmelerine izin verdiği için düşük moleküler ağırlıklı elektrolitlerde meydana gelmez2.
MIEM Araştırma Görevlisi Nikolai Kalikin, “Polimerleri kullanarak elektriksel kapasitansı artırabiliriz; bununla birlikte, olası olumsuz etkileri önlemek çok önemlidir. Polimerin etkin performansı için en uygun parametreleri belirledik ve polielektrolitlerin yetkin kullanımının daha fazla enerji depolamayı mümkün kılabileceğine inanıyoruz.” diye açıkladı.
Budkov, “Bu makale daha geniş bir araştırma projesinin parçasıdır. Şu anda metal ve elektrolit arasındaki arayüzde çift elektrik katmanlarını sayısal olarak modellemek için bir metodoloji geliştirme sürecindeyiz. Teorik bir temel oluşturduk ve bu alanda bir program geliştirmeyi planlıyoruz. Bu, iyon davranışını simüle etmemizi ve diferansiyel elektrik kapasitansının mühendislik değerlendirmelerini yapmamızı sağlayacak. Bu, mühendislere, çift elektrik katmanlarında meydana gelen fiziksel ve kimyasal süreçlerin daha derin bir şekilde anlaşılmasını sağlayarak süper kapasitörler geliştirmede yardımcı olacak ve sonuçta daha güçlü ve verimli cihazların yaratılmasına yol açacaktır.” dedi4.
Zeki Can Koç
Kaynaklar
- Raza, W., Ali, F., Raza, N., Luo, Y., Kim, K. H., Yang, J., … & Kwon, E. E. (2018). Recent advancements in supercapacitor technology. Nano Energy, 52, 441-473.
- Budkov, Y. A., & Kalikin, N. N. (2023). Macroscopic forces in inhomogeneous polyelectrolyte solutions. Physical Review E, 107(2), 024503.
- Yıldız, A. (2021). İçten yanmalı motorlu araçlarda kullanılmak üzere özelleştirilmiş süperkapasitör beslemeli gerilim düzenleyici fonksiyona sahip bir yedek güç sisteminin geliştirilmesi (YL Tezi, Sakarya Uygulamalı Bilimler Üniversitesi).
- https://techxplore.com/news/2023-05-scientists-method-capacitance-supercapacitors.html