Süper Kapasitörler Pillere Meydan Okuyor
Fotoğraf : Metal organik kafeslerden (MOF) ve grafenik asitten yapılan grafen hibritler (solda) süper kapasitörler için mükemmel bir pozitif elektrot oluşturur, böylece nikel-metal hibrit pillerinkine benzer bir enerji yoğunluğu elde eder.
Yüksek Verimli Süper Kapasitörler İçin Güçlü Grafen Hibrit Malzemeler
Münih Teknik Üniversitesi’nde (TUM) İnorganik ve Metal-Organik Kimya Profesörü Roland Fischer ile çalışan bir ekip, yüksek verimli bir süper kapasitör geliştirdi. Enerji depolama cihazının temeli, günümüzde kullanılan pillerle karşılaştırılabilir performans verilerine sahip yeni, güçlü ve sürdürülebilir bir grafen hibrit malzemedir.
Genelde; enerji depolama, elektronik cihazlar için enerji sağlayan piller ve akümülatörler ile bağlantılıdır. Bununla birlikte dizüstü bilgisayarlarda, kameralarda, cep telefonlarında veya araçlarda süper kapasitörler bu günlerde giderek daha fazla kurulmaktadır.
Süper kapasitörler, pillerden farklı olarak büyük miktarlarda enerjiyi hıza depolayabilir ve aynı hızda tüketebilir. Örneğin; bir tren istasyona girerken fren yaparsa, süper kapasitörler enerjiyi depolar ve tren çalıştırılırken çok hızlı bir şekilde fazla enerjiye ihtiyaç duyduğunda onu tekrar sağlar.
Ancak bugüne kadar süper kapasitörlerle ilgili sorun, enerji yoğunluklarının eksikliğiydi. Lityum akümülatörler 265 Kilowatt saate (kW/h) kadar enerji yoğunluğuna ulaşırken, süper kapasitörler şimdiye sadece onda birini veriyordu.
Sürdürülebilir Malzeme Yüksek Performans Sağlıyor
Kimyager Rolan Fischer ile çalışan ekip, süper kapasitörler için yeni, güçlü ve sürdürülebilir grafen hibrit malzeme geliştirdi. Bu malzeme enerji depolama cihazında pozitif elektrot görevi görmektedir. Araştırmacılar, hibrit malzemeyi titanyum ve karbon bazlı kanıtlanmış negatif elektrotla birleştirdi.
Yeni enerji depolama cihazı, sadece bir nikel-metal hidrid pilin enerji yoğunluğuna yaklaşık olarak eşdeğer olan 73 Wh/kg ‘a kadar enerji yoğunluğu elde etmekle kalmıyor, aynı zamanda 16 kW/kg güç yoğunluğunda diğer süper kapasitörlerin çoğundan çok daha iyi performans gösteriyor. Yeni süper kapasitörün sırrı farklı malzemelerin birleşimidir. Bu nedenle kimyagerler süper kapasitörden “asimetrik” olarak adlandırıyorlar.
Hibrit Malzemeler: Doğa Rol Modeldir
Araştırmacılar, standart malzemelerin performans sınırlarının üstesinden gelebilmek için yeni bir strateji üzerine çalışıyorlar – hibrit malzeme kullanıyorlar. Roland Fischer, “Doğa son derece karmaşık, evrimsel olarak optimize edilmiş hibrit malzemelerle doludur; kemikler ve dişler buna örnektir. Sertlik ve esneklik gibi mekanik özellikleri, doğası gereği çeşitli malzemelerin kombinasyonu yoluyla optimize edildi.” diyor.
Araştırma ekibi, temel malzemeleri birleştirme konusundaki soyut fikri süper kapasitörlere aktardı. Temelde, depolama ünitesinin yeni pozitif elektrotunu kimyasal olarak değiştirilmiş grafen ile kullandılar ve bunu MOF (Metal Organic Framework) adı verilen nano yapılı bir metal organik kafes ile birleştirdiler.
Güçlü ve Kararlı
Geniş bir özgül yüzey ve kontrol edilebilir gözenek boyutları, yüksek elektrik iletkenliğine sahip olması grafen hibritlerin performansı için belirleyici özelliklerdendir. Roland Fischer ile çalışan eski misafir bilim insanı olan yazar Jayaramulu Kolleboyina, “Malzemenin yüksek performans yetenekleri, mikro gözenekli MOF’ların iletken grafen asit ile kombinasyonuna dayanmaktadır.” şeklinde açıklıyor.
İyi süper kapasitörler için geniş yüzey önemlidir. Malzeme içinde ayrı ayrı çok sayıda yük taşıyıcısının toplanmasına izin verir ve bu, elektrik enerjisinin depolanması için temel ilkedir.
Araştırmacılar, grafen asidi MOF’lar ile bağlamayı ustalık gerektiren malzeme tasarımı sayesinde başardılar. Elde edilen hibrit MOF’lar gram başına 900 metrekareye kadar çok geniş bir iç yüzeye sahiptir ve bir süper kapasitörde pozitif elektrotlar olarak yüksek performans göstermektedir.
Uzun Vadeli Kararlılık
Yeni malzemelerin tek avantajı bu değil. Kimyasal olarak kararlı bir hibrit elde etmek için bileşenler arasında güçlü kimyasal bağlara ihtiyaç vardır. Bu bağlar, proteinlerdeki amino asitler arasındaki bağlarla aynı görünüyor ve Fischer: “Aslında grafen asidi bir tür peptit bağı oluşturan MOF-amino asit ile birleştirdik.”
Nano yapılı bileşenle arasındaki kararlı bağlantı, uzun vadeli kararlılık açısından büyük avantajlara sahiptir: Bağlar ne kadar kararlı olursa, önemli performans kaybı olmadan o kadar fazla şarj ve deşarj döngüleri mümkündür.
Karşılaştırmak için: Klasik bir lityum akümülatörün yaklaşık 5,000 döngülük kullanışlı ömrü vardır. TUM araştırmacıları tarafından geliştirilen yeni hücre, 10,000 döngüden sonra bile yüzde 90’a yakın kapasiteyi koruyor.
Uluslararası Uzmanlar Ağı
Fischer, yeni süper kapasitörün geliştirilmesi söz konusu olduğunda araştırmacıların kontrol ettikleri sınırsız uluslararası iş birliğinin ne kadar önemli olduğunu vurguluyor. Bu nedenle Jayaramulu Kolleboyina bir takım kurdu. Jayaramulu Kolleboyina, Hindistan’dan Alexander von Humbolt Vaktı tarafından davet edilen ve şu anda Jammu’da yeni kurulan Hindistan Teknoloji Enstitüsü’nde kimya bölümünün başkanı olan konuk bir bilim adamıydı. Fischer, “Ekibimiz ayrıca Barselona’daki elektrokimya ve batarya araştırma uzmanlarının yanı sıra Çek Cumhuriyeti’nden grafen türevi uzmanlarıyla da ağ oluşturdu. Ayrıca, ABD ve Avustralya’dan bütünleşmiş ortaklarımız var. Bu harika, uluslararası iş birliği gelecek için çok şey vaat ediyor.” diyor.
Kaynak: tum.de
