Sadece saniyeler veya dakikalar içinde hızlı bir şekilde şarj olabilen pillere benzer cihazlar olan süper kapasitörlerin enerji yoğunluğu, iç yapılarının ‘dağınıklığı’ arttırılarak iyileştirilebilir.
Cambridge Üniversitesi süper kapasitörlerde kullanılan gözenekli karbon elektrotları incelemek için deneysel ve bilgisayar modelleme tekniklerini kullandı. Daha düzensiz kimyasal yapıya sahip elektrotların, oldukça düzenli yapıya sahip elektrotlara göre çok daha fazla enerji depoladığını buldular.
Süper kapasitörler, enerji dönüşümü için kilit bir teknolojidir ve belirli toplu taşıma biçimlerinin yanı sıra aralıklı güneş ve rüzgar enerjisi üretiminin yönetilmesi için de yararlı olabilir, ancak bunların benimsenmesi, zayıf enerji yoğunluğu nedeniyle sınırlıdır.
Araştırmacılar sonuçlarının dergide yayınlandığını söylüyor. Bu alanda bir atılımı temsil ediyor ve bu önemli net sıfır teknolojisinin gelişimini yeniden canlandırabilir.
Süper Kapasitörler ve Pillerin Karşılaştırılması
Piller gibi, süper kapasitörler de enerji depolar, ancak süper kapasitörler saniyeler veya birkaç dakika içinde şarj olurken piller çok daha uzun sürer. Süper kapasitörler pillerden çok daha dayanıklıdır ve milyonlarca şarj döngüsüne dayanabilir. Bununla birlikte, süper kapasitörlerin düşük enerji yoğunluğu, onları uzun vadeli enerji depolama veya sürekli güç sağlamaya uygun hale getirmiyor.
Araştırmayı yöneten Cambridge Yusuf Hamied Kimya Bölümü’nden Dr. Alex Forse, “Süper kapasitörler pillerin yerine geçen bir teknoloji değil, onları tamamlayan bir teknolojidir” dedi. “Dayanıklılıkları ve son derece hızlı şarj yetenekleri, onları çok çeşitli uygulamalar için faydalı kılıyor.”
Örneğin süper kapasitörlerle çalışan bir otobüs, tren veya metro, yolcuların inip binmesine kadar geçen sürede tamamen şarj olabilir ve bir sonraki durağa ulaşmak için yeterli gücü sağlayabilir. Bu, hat boyunca herhangi bir şarj altyapısı kurma ihtiyacını ortadan kaldıracaktır. Ancak süperkapasitörlerin yaygın kullanıma geçmeden önce enerji depolama kapasitelerinin geliştirilmesi gerekiyor.
Pil, şarjı depolamak ve serbest bırakmak için kimyasal reaksiyonlar kullanırken, süper kapasitör, yüklü moleküllerin oldukça düzensiz bir yapıya sahip olan gözenekli karbon elektrotlar arasındaki hareketine dayanır. “Bir sayfa düşünün grafenForse, “Son derece düzenli bir kimyasal yapıya sahip” dedi. “Eğer bu grafen tabakasını bir top haline getirirseniz, bir tür süper kapasitördeki elektrot gibi, düzensiz bir karmaşa elde edersiniz.”
Elektrot Yapısını Anlamada Atılım
Elektrotların doğası gereği dağınık olması nedeniyle, bilim adamlarının bunları incelemesi ve performansı iyileştirmeye çalışırken hangi parametrelerin en önemli olduğunu belirlemesi zor olmuştur. Bu net fikir birliğinin olmayışı, alanın biraz sıkışıp kalmasına yol açtı.
Pek çok bilim insanı, karbon elektrotlardaki küçük deliklerin veya nanogözeneklerin boyutunun, enerji kapasitesinin artmasının anahtarı olduğunu düşünüyor. Ancak Cambridge ekibi ticari olarak temin edilebilen bir dizi nano gözenekli karbon elektrotu analiz etti ve gözenek boyutu ile depolama kapasitesi arasında hiçbir bağlantı olmadığını buldu.
Forse ve meslektaşları yeni bir yaklaşım benimsediler ve elektrot malzemelerini incelemek için nükleer manyetik rezonans (NMR) spektroskopisini (piller için bir tür ‘MRI’) kullandılar. Uzun süredir bir engel olduğu düşünülen malzemelerin dağınıklığının aslında başarılarının anahtarı olduğunu buldular.
Forse ve Profesör Dame Clare Gray’in birlikte denetlediği doktora adayı ilk yazar Xinyu Liu, “NMR spektroskopisini kullanarak, enerji depolama kapasitesinin malzemelerin ne kadar düzensiz olduğuyla ilişkili olduğunu bulduk – ne kadar düzensiz malzemeler o kadar fazla enerji depolayabiliyorsa” dedi. “Dağınıklık ölçülmesi zor bir şeydir; yalnızca yeni NMR ve simülasyon teknikleri sayesinde mümkündür; bu nedenle dağınıklık bu alanda gözden kaçırılan bir özelliktir.”
Elektrot malzemeleri NMR spektroskopisi ile analiz edildiğinde farklı tepe ve vadilere sahip bir spektrum üretilir. Zirvenin konumu karbonun ne kadar düzenli veya düzensiz olduğunu gösterir. Forse, “Bunu aramak bizim planımız değildi, büyük bir sürprizdi” dedi. “Enerji kapasitesine karşı zirvenin konumunu çizdiğimizde çarpıcı bir korelasyon ortaya çıktı; en düzensiz malzemelerin kapasitesi, en düzenli malzemelerin neredeyse iki katıydı.”
Peki karışıklık neden iyidir? Forse, ekibin üzerinde çalıştığı bir sonraki şeyin bu olduğunu söylüyor. Daha düzensiz karbonlar iyonları nanogözeneklerinde daha verimli bir şekilde depolar ve ekip bu sonuçları daha iyi süperkapasitörler tasarlamak için kullanmayı umuyor. Malzemelerin dağınıklığı sentezlendikleri noktada belirlenmektedir.
Forse, “Enerji depolamasını iyileştirme açısından dağınıklığın sizi ne kadar ileri götürebileceğini görmek için bu malzemeleri yapmanın yeni yollarına bakmak istiyoruz” dedi. “Bir süredir tıkanan bir alan için bu bir dönüm noktası olabilir. Clare ve ben bu konu üzerinde on yılı aşkın bir süre önce çalışmaya başladık ve önceki temel çalışmalarımızın çoğunun artık net bir uygulamaya sahip olduğunu görmek heyecan verici.”
Referans: Xinyu Liu, Dongxun Lyu, Céline Merlet, Matthew JA Leesmith, Xiao Hua, Zhen Xu, Clare P. Gray ve Alexander C. Forse, 18 Nisan 2024, “Yapısal bozukluk nano gözenekli karbonlardaki kapasitansı belirler”, Bilim.
Araştırma kısmen Cambridge Trusts, Avrupa Araştırma Konseyi ve Birleşik Krallık Araştırma ve Yenilik (UKRI) tarafından desteklendi.
0 Yorumlar