Süperkapasitörlerde oksijen mühendisliği

Ultrakapasitör veya elektrikli çift katmanlı kapasitör olarak da bilinen süperkapasitörler, gelişmiş özelliklere sahip enerji depolama cihazlarıdır. Süperkapasitörler genel olarak iki elektrot, elektrolit ve seperatörden oluşmaktadır. Kullanılan elektrotlar geniş yüzey alanına sahiptir. Ayrıca elektrotlar arasındaki mesafe çok kısadır¹. Bir elektrolit ve elektrot arasındaki ara yüzeyde yüklerin elektrostatik olarak ayrılması ile enerji depolanır. Bu sistem, enerjiyi hızlı depolama ve serbest bırakma imkanı sağlar. Bu sayede süperkapasitörler yüksek güç patlamaları ve çok fazla döngü ömrü oluşturur.

Yenilenebilir enerji kaynakları ile elektrik üretimi arasındaki bağlantıyı enerji depolama sistemleri sağlamaktadır. Süperkapasitörler;

• yüksek güç yoğunluğu,
• hızlı şarj ve deşarj olması,
• güç-enerji farkını kapatma avantajları,
• uzun çevrim ömürleri,
• güvenli çalışmaları,
• düşük bakım maliyetleri

nedeniyle enerji depolama sistemleri arasında öne çıkmaktadır². Bu yüzden yenilenebilir enerji ve çevre koruma konusunda önemli bir role sahiptir. Enerjiyi hızlı depolama ve serbest bırakma özellikleri sayesinde güneş ve rüzgar enerjisi gibi kesintili enerji kaynaklarını dengelemek, tutarlı ve güvenilir bir enerji kaynağı sağlamak için uygun hale getirir.

Süperkapasitörler çevrenin korunması konusunda geleneksel enerji depolama cihazlarına sürdürülebilir alternatif olarak görülmektedir. Uzun çevrim ömürleri, hızlı şarj/deşarj olması ve çevresel etkilerinin azaltılması çevre dostu olmasını sağlamaktadır. Buna ek olarak elektrikli araçlar ve hibrit sistemlerde kullanılması karbon emisyonlarını azaltmaya ve iklim değişikliği gibi küresel sorunlarla mücadeleye katkı sağlar. Süperkapasitörler genellikle sürdürülebilir enerji çözümlerinin ve çevreye duyarlı uygulamaların gelişmesine önemli katkıda bulunan depolama cihazıdır.

Günümüzde kapasitansı etkileyen elektrotlar arası dielektrik malzemelerin boşluklarının (oksijen vb.) kontrol edilmesi bir süperkapasitörde metal oksitlerin elektrokimyasal performansını artırmak için etkili bir yöntem olarak kabul edilmektedir.

Profesör Jianqiang Bi ve ekibinin yaptığı son araştırmada bol miktarda oksijen boşluğuyla karakterize edilen NiFe₂O₄-δ, hidrotermal yol ile oluşturulmuş NiFe₂O₄’ün temeli üzerine kurulan aktif bir karbon yatağı içinde art arda uygulanan ısıl işlem ile başarılı bir şekilde elde edilmiştir³.

Dikkatli bir şekilde uygulanan işlem sonucunda NiFe₂O₄-δ benzeriyle karşılaştırıldığında yüksek iletkenlik oluşturan ve kapasitansta 3,7 kat artış gösteren NiFe₂O₄-δ meydana getirdi. Elektrokimyasal niteliklerde izlenen bu artış metal oksitlerin performansını uygun hale getirmek için oksijen boşluklarının önemli görevi olduğunu göstermektedir.

Yapılan çalışmanın sonuçlarına göre oksijen boşluklarının bilinçli bir şekilde eklenmesinin metal oksitlerin elektrokimyasal özelliklerini artırmada önemli bir etken olduğu görülmüştür. Bu sayede onları süperkapasitör elektrotları için kullanılabilecek malzemeler olarak sınıflandırdığı fikrini güçlü bir şekilde desteklemektedir.

Bu yeni anlayış, enerji depolama alanındaki geliştirilebilecek uygulamalara öncü olmaktadır. Aynı zamanda oksijen boşluğu mühendisliğinin yüksek performanslı süperkapasitörlerin geliştirilmesi konusunda önemli bir rolü olduğunu göstermektedir.

Kaynaklar

1. Hamparyan, B. Aao Şablonlar İçerisine Nikel Biriktirme ile Yüksek Kapasiteli Hibrit Kapasitör Elektrotlarının Üretimi (Doctoral dissertation, Fen Bilimleri Enstitüsü).

2. Altınışık, M., Hansu, T. A., & Akdemir, M. (2023). Süper Kapasitör Uygulamaları için Mikrodalga Destekli Biyokütle Tabanlı Elektrot Malzemesi Üretimi. Uluslararası Yakıtlar Yanma ve Yangın Dergisi, 11(1), 67-76.

3. https://techxplore.com/news/2024-02-material-supercapacitor-applications.html

4. Gao, X., Bi, J., Meng, L., Xie, L., & Liu, C. (2023). Activated carbon induced oxygen vacancies-engineered nickel ferrite with enhanced conductivity for supercapacitor application. Frontiers of Chemical Science and Engineering, 17(12), 2088-2100.