Süper Kapasitörler ve Piller: Gerilim Dolu Bir Karşılaşma!
Grafen Hibrit Malzeme İle Verimli Süper Kapasitörler Elde Edilebilir
Münih Teknik Üniversitesi İnorganik ve Metal-Organik Kimya profesörü Roland Fischer ekibi ile birlikte oldukça etkili bir süper kapasitör geliştirdi. Geliştirilen bu enerji depolama sisteminin temelinde yepyeni, güçlü ve sürdürülebilir bir grafen hibrit malzeme yer alıyor. Grafen hibrit malzeme, performans açısından, günümüzde kullanılan pillerin önüne geçmeyi başarıyor.
Enerji depolama sistemleri genelde pil ve akümülatör gibi elektronik cihazlara akım veren sistemlerle bağdaştırılırlar fakat günümüzde; laptoplarda, kameralarda, cep telefonlarında ve taşıtlarda süper kapasitör kullanımı giderek yaygınlaşıyor.
Büyük miktarlarda enerjiyi hızlıca depolayıp hızlıca harcayan pillerin tersi bir prensiple çalışırlar. Örneğin durağa yaklaşırken yavaşlayan bir trendeki süper kapasitörler, frenleme esnasında enerji depolayabilir ve depolanmış enerjiyi tren kalkarken, enerjiye en çok ihtiyaç duyduğunda, hızlıca temin edebiliriler.
Süper kapasitörlerin kullanımı bugüne kadar yaygın değildi çünkü enerji yoğunlukları diğer enerji depolama sistemlerine kıyasla yetersiz kalıyordu. Lityum akümülatörlerin enerji yoğunlukları kilogram başına 256 kilovatken, süper kapasitörler ancak bunun onda birine erişebiliyordu.
Yüksek Performansın Sırrı: Sürdürülebilir Malzemeler
Münih Teknik Üniversitesinden Roland Fischer ve ekibi; süper kapasitörler için yeni, güçlü ve sürdürülebilir bir grafen hibrit malzeme geliştirdi. Geliştirilen malzeme süper kapasitörün içinde pozitif elektrot işlevi görecek. Pozitif elektrotlar verimliliği kanıtlanmış titanyum-karbon temelli bir negatif elektrot ile birleştirilecek.
Standart bir süper kapasitör kilogram başına 16 kilovat enerji sağlarken, keşfedilen yeni enerji depolama sistemi kilogram başına 73 kilovata kadar çıkabiliyor, bu değer de yaklaşık olarak bir nikel-metal hidrit pilinkine eşit. Yeni süper kapasitörün verimliliğinin sırrı içeriğindeki çeşitli malzemelerin kombinasyonunda. Bu kombinasyon kimyagerler arasında ‘asimetrik’ olarak adlandırılıyor.
Hibrit Malzemelrin Esin Kaynağı: Doğa
Araştırmacılar hibrit malzemelerle çalışarak, standart malzemede karşılaştıkları performans limitlerini aşacakları yeni stratejiler arıyor. Roland Fischer şöyle açıklıyor ‘’Doğa birbirinden karmaşık, evrimsel süreçlerle optimize edilmiş malzemelerle dolu, buna örnek olarak kemikler ve dişler verilebilir. Bu tarz malzemelerin, sertlik ve esneklik gibi mekanik özellikleri farklı malzemelerin kombinasyonu ile doğa tarafından optimize edilmiştir.’’
Doğadan alınan ilhamla ana malzemeleri hibritleme fikri, araştırma ekibi tarafından süper katalizörlerde uygulandı. Depolama sisteminin pozitif elektrot kaynağını modifiye edilmiş grafenden almasını sağladılar daha sonra grafeni, nano yapılı metal organik çerçeve(MOF) ile birleştirdiler.
Güçlü ve Kararlı Yapı
Grafen hibritin tercih edilmesindeki ana hususlar şunlardır; geniş yüzey alanı, manipüle edilebilir gözenek çapları ve güçlü elektrik iletkenliği. Fischer’ın meslektaşlarından Jayaramulu Kolleboyina şöyle açıklıyor: ‘’ Malzemenin yüksek performansının kaynağı, mikro gözenekli metal organik çerçevelerin (MOF) iletken grafen asidiyle hibritlenmesi’’
Yüzey genişliği, süper kapasitörler için önemli bir rol oynuyor. Geniş yüzeyler, büyük elektrik yüklerinin malzeme üzerinde toplanmasını kolaylaştırıyor ve elektrik enerjisini depolamanın temel prensibini kullanmış oluyor.
Akılcı tasarımlara sahip malzemeler sayesinde araştırmacılar, grafen asidi ve metal organik çerçeveleri (MOF) hibritlemeyi başarıyor. Hibritleme sonucu çok geniş iç yüzey alanlarına sahip metal organik çerçeveler açığa çıkıyor, iç yüzey alanları gram başına 900 metre kareye kadar çıkan bu metal organik çerçeveler, süper kapasitörler içinde yüksek performanslı pozitif elektrot görevi görüyorlar.
Uzun Süreli Kararlılık
Kimyasal kararlılığa (stabilite) sahip bir hibrit elde edebilmek için bileşikler arasında güçlü kimyasal bağlar kurmak büyük önem arz ediyor. Fischer ve ekibine göre kullanılan malzemenin kimyasal bağ yapısı, proteinleri oluşturan amino asit bağlarıyla benzer yapıda. Fischer şöyle tanımlıyor: ’’Ekibimizle grafen asidi ve MOF amino asidi arasında peptit bağına benzer bir bağ kurmayı amaçladık.’’
Nano yapılı bileşiklerin oluşturduğu stabil bağlar, uzun süreli kararlılığın sağlanmasında büyük rol oynuyor: Bağlar kararlı hale geldikçe şarj-deşarj döngüsü performans kaybına uğramadan gerçekleşebiliyor.
Karşılaştırmak için şöyle bir örnek verilebilir: standart bir lityum akümülatör 5.000 döngüde ömrünü tamamlarken, yeni geliştirilen süper kapasitörün 10.000 döngünün ardından bile yüzde 90 performans ile çalışmaya devam ettiği rapor edilmiştir.
Uluslararası Uzman Ağı
Fischer, süper kapasitörlerin geliştirilmesi konusunda araştırmacıların kontrollerinde olan uluslararası iş birliklerinin ne kadar önemli olduğunun altını çiziyor. Bu nedenle Alexander von Humboldt vakfında konuk bilim insanı olarak görev alan ve Hindistan Teknoloji Enstitüsünde kimya bölüm başkanı olan Jayaramulu Kolleboyina tarafından bir ekip kuruldu.
Fischer şöyle belirtiyor: ‘’Ekibimiz hem Barselona’daki elektro-kimya ve pil araştırmaları uzmanlarıyla hem de Çek Cumhuriyeti’ndeki grafen türevi maddeler uzmanlarıyla bağlantı kurdu. Ayrıca ABD ve Avustralya’dan ortaklar da edinerek ekibimiz büyüttük. Bu uluslararası birleşme ekibimiz için iyi bir gelecek vaat ediyor’’
Kaynak: chemeurope.com
