Geniş sıcaklık aralığında (-40 °c ve 80 °c) yüksek performans gösteren süperkapasitör için uygun aktif karbon ve elektrolitin belirlenmesi ve ölçek büyütme çalışmaları

Abstract

Son yıllarda değişen ve gelişen ihtiyaçlar doğrultusunda uzay-havacılık-savunma uygulamaları için yüksek enerji/güç depolama sistemlerinin geliştirilmesi, aşırı sıcaklık koşullarında çalıştırılabilmesi ve performansı etkileyen parametrelerin belirlenmesi önem kazanmıştır. Bu tez çalışması kapsamında süperkapasitör hücrelerinde kullanılmak üzere; elektrot malzemesi olarak atık kumaştan, fiğ çekirdeğinden ve Mengen Linyiti'nden farklı özelliklere sahip aktif karbonlar, elektrolit olarak ise Et3NHBF4, Et3NHPF6 ve Et3NHTFSI protik iyonik sıvılar üretilmiştir. Üretilen elektrotların ve elektrolitlerin performanslarını karşılaştırabilmek adına ticari aktif karbon ve ticari elektrolit (Et4NBF4) ile de hücreler hazırlanmıştır. Hücrelerin elektrokimyasal performansa etkileri 4 cm2 süperkapasitör hücreleriyle ortaya koyulmuştur. Ayrıca, hücreleri temsil eden en uygun devre modellerinin belirlenmesi üzerine çalışmalar gerçekleştirilmiştir ve modelini kullanılan aktif malzemenin, elektrolitin ve sıcaklığın etkilediği belirlenmiştir. Elektrokimyasal analiz sonuçları hücrelerin enerji depolama performanslarının; elektrot malzemesi yüzey özelikleri, elektrolit türü, elektrot – elektrolit ilişkisi ve sıcaklıktan önemli derecede etkilendiğini ortaya koymuştur. Fiğ çekirdeğinden üretilen aktif karbon ile; 25 °C'de 1 M Et4NBF4/PC elektrolit kullanılan hücre en yüksek spesifik kapasitans ve % döngü kararlılığı (51.02 F/g, % 93.94) sergilerken, -40 °C'de en iyi performansı 1 M Et3NHBF4/PC elektrolit kullanılan hücre sergilemiştir (18 F/g, % 100), 80 °C'de ise 1 M Et4NBF4/PC elektrolit kullanılan hücre yüksek performans göstermiştir (52.89 F/g, % 87.28). Mengen linyitinden üretilen aktif karbon ile; 25 °C'de (60.23 F/g, % 93.44) ve -40 °C'de (12 F/g, %100), 1 M Et4NBF4/PC elektrolit kullanılan hücre en yüksek performansları sergilerken, 80 °C'de uzun döngü verisi alınamamıştır. Atık kumaştan üretilen aktif karbon ile 25 °C'de 1 M Et4NBF4/PC ve 1 M Et3NHBF4/PC elektrolitler aynı performansı göstermiştir (10 F/g, % 100). 80 °C'de de benzer kapasitanslara sahip olsalar da 1M Et4NBF4/PC elektrolit kullanılan hücre yüksek döngü kararlılığı göstermiştir (12 F/g, % 99). Kumaş örneği ile -40 °C'de uzun döngü verisi herhangi bir elektrolit ile alınamamıştır. Fiğ çekirdeğinden üretilen aktif karbona hidrotermal yöntemle N ve S katkılaması ile elde edilen aktif karbon ile hücrelerin yüksek dirençleri nedeniyle aynı koşullarda benzer performans elde edilmiştir. Fiğ çekirdeğinden üretilen aktif karbonla 4 cm2'den 16 cm2'ye ölçek büyütülmüş ve 1 M Et3NHBF4/PC elektrolit ile 25 °C'de 1.9 F kapasitans elde edilmiştir.