Lojistikte Etkin ve Verimli Enerji Uygulamalarında Kullanılacak Olan Süperkapasitörler için Nanokompozit Elektrot Geliştirilmesi

• Proje no: 2021K12-169131/07 (Devam Ediyor)

Proje başlığı: Lojistikte Etkin ve Verimli Enerji Uygulamalarında Kullanılacak Olan Süperkapasitörler için Nanokompozit Elektrot Geliştirilmesi

Proje Yürütücüsü: Dr. Öğr. Üyesi Hamza DÜNYA

Konu: Süperkapasitörlerde elektrot olarak kullanılacak nano-malzemelerin geliştirilmesi, Enerji depolama özelliği yüksek ve hızlı şarj/de-şarj olabilen süperkapasitörlerin üretilmesi, İletkenliği yüksek ve sinerjetik etkiye sahip iletken polimerlerle birleştirilerek kompozitlerin oluşturulması.

Amaç: Polianilin matrisine metal sülfürün entegrasyonu ile birlikte elektriksel iletkenliğin arttırılması, Isısal kararlılığın iyileştirilmesi, Yüzey alanını genişleterek süperkapasitörlerin enerji yoğunluğu, kapasite ve döngü performansını geliştirmek.

Akıllı şehirler, taşınabilir ve mobilize elektronik cihazların yaygın kullanımını vurgular ve bu vurgu hem daha fazla enerji hem de güç yoğunluğuna sahip enerji depolama sistemleri için giderek artan bir ihtiyacı ortaya çıkarır. Süperkapasitörlerin akıllı şehirlerde enerji depolama sistemi olarak kullanılmasının temel sebepleri şu şekilde sıralayabiliriz:

• Uzun çevrim ömrü (> 1 milyon),
• Hızlı şarj-deşarj (saniyeler içinde)
• Yüksek güç yoğunluğu
• Güç kaynağının boyutunda önemli derecede azalma
• Çevre dostu (yani zehirli pil atımı yoktur), çok daha güvenilir ve mekanik olarak çok daha sağlam
• Maliyeti mevcut enerji depolama sistemlerine göre çok daha düşük

Yenilenebilir ve sürdürülebilir enerji kaynaklarının hızla gelişmesi, elektrikli araçların ve taşınabilir güç cihazlarının yaygın olarak kullanılmasıyla birlikte, gelişmiş enerji depolama teknolojisinin geliştirilmesi tüm dünyada acil bir konu haline gelmiştir. Bilindiği gibi yakıt hücreleri, lityum piller ve süperkapasitörler bu sorunun üstesinden gelebilecek, ümit veren enerji depolama sistemleridir ve süperkapasitörler yüksek enerji yoğunluğu, düşük maliyeti ve uzun çevrim ömrü avantajları nedeniyle diğer depolama sistemlerine göre çok daha avantajlıdır. Genellikle enerji depolama cihazları, spesifik kapasitans (C_sp), enerji yoğunluğu (E_d), güç yoğunluğu (P_d) ve çevirim kararlılığı gibi belirli faktörlere dayalı olarak karakterize edilirler. Konvansiyonel kapasitörler iyi güç yoğunluğuna sahiptir, ancak çok düşük C_sp ve E_d değerleri gösterirler. Piller iyi C_sp ve E_d değerlerine sahiptir, ancak P_d değerleri çok düşüktür. Bir başka ifadeyle açıklayacak olursak: güç yoğunluğu (P_d), bir cihazın enerjisini ne kadar hızlı boşaltabileceğini ifade ederken, enerji yoğunluğu (E_d) bir cihazın ne kadar enerji içerdiğini ifade eder. Bataryalar yüksek enerji yoğunluğuna sahiptir, ancak güç yoğunluğu düşüktür, yani yavaşça boşaltılan çok miktarda enerjiye sahiptirler. Süperkapasitörler ise enerji depolama sistemleri aralarında olağanüstüdür ve geleneksel kapasitörler ile piller arasında bir köprü görevine sahiptir. Elektrokimyasal kapasitörler olarak da bilinen süperkapasitörler, daha hızlı şarj/deşarj süresi, daha uzun çevrim ömrü ve daha yüksek P_d nedeniyle bataryalara göre avantajlara sahiptir. Mevcut süperkapasitörlerde üstesinden gelinmesi gereken en büyük engel, çok değişken olan düşük hacimsel enerji yoğunluklarıdır (5-80 Wh/L). Enerji depolamada yaygın olarak kullanılan Li-iyon pillerinin hacimsel enerji yoğunluğuna (250-650 Wh/L) ulaşmanın, projenin gerekçesinde bahsedilen sebeplerden ötürü bu alanda devrim niteliğinde bir ilerleme olacağı değerlendirilmektedir.

Süperkapasitörlerin performansının anahtarı elektrot malzemelerinde yatmaktadır. Bu nedenle kirlilik içermeyen, yüksek performanslı ve düşük maliyetli elektrot malzemelerinin hazırlanması ve kullanılması son derece önemlidir. Yaygın elektrot malzemeleri arasında karbon bazlı nanomalzemeler, polimerler, metal oksitler, metal sülfürler ve bunların bileşikleri bulunur. Ancak, saf haldeki metal sülfürlerin uzun süreli kararlılıklarının yanında, iletkenlik, aktif yüzey alanı ve elektrokimyasal performanslarının görece düşük olmasından dolayı bu malzemeler süperkapasitörlerde arzu edilen performansları gösterememektedir. Bu yüzden, metal sülfürlerin bu dezavantajlarını elimine etmek amacıyla iletkenliği yüksek iletken polimerlerle birleştirilerek kompozitler oluşturulmaktadır. İletken polimerlerin sahip olduğu yüksek iletkenlik, termal ve çevresel kararlılık ve elektrokimyasal özelliklerinden dolayı metal sülfürlerle birleştirilerek çok fonksiyonlu kompozitler tasarlanmaktadır ve bunlar süperkapasitörlerde yüksek performans gösteren katot malzemeleri olarak uygulanmaktadır.

İlk etapta projedeki geliştirilecek malzemelerle bir prototip üretilecektir. Orta vade de ise, elde edilecek bu prototip ile bu alanda yatırım yapabilecek firmalarla görüşülerek bölgede istihdam yaratabilecek alanların açılması hedeflenmektedir. Alternatif olarak, süperkapasitör üretimi bir start-up şirketi kurularak seri üretimleri için çalışmalar yapılacaktır. Son olarak, uzun vadede milli ve yerli ileri teknolojilerde kullanımının yaygınlaştırılması hedeflenmektedir. Bu sayede ileri teknoloji alanında birçok istihdam alanına yol açılabileceği söylenebilir.

Ülkemizde son yıllarda enerji depolama sitemleri üzerine yatırımlar yapılmaktadır. Bunların en başında yerli otomobilde kullanılacak batarya teknolojisi gelmektedir. Bu proje kapsamında elde edilmesi hedeflenen batarya ve/veya yetiştirilecek uzmanlar sayesinde bu alana katkı sunması beklenmektedir.