Süperkapasitif enerji depolama sistemlerinin elektrokimyasal ve empedans analizleri

Enerji arz-talep dengesinin sağlanmasında, enerji depolama sistemleri en az enerji üretimi kadar önemlidir. Süperkapasitörler yüksek güç yoğunluğuna ve uzun çevrim ömrüne sahip olduğu için enerji depolama sistemleri arasında öne çıkmaktadır. Bununla birlikte modern teknolojinin artan enerji taleplerini karşılayabilmek için süperkapasitörlerin enerji yoğunluklarının da artırılması gerekmektedir. Süperkapasitörlerin performansını, içerdikleri malzemelerin kimyasal özelliklerinin yanı sıra; gözenek yapısı, morfolojisi, kristal yapısı, iç direnci ve iletkenliği gibi fiziksel özellikleri de belirler. Bu tez çalışmasında; sulu ortamda soyma (eksfolasyon) yöntemiyle elde edilen grafenin, şablon varlığında çevreci, ucuz ve pratik bir yöntem olan çöktürme yöntemiyle elde edilen MnO2 ile nanokompoziti sentezlenmiştir. Gözenek yapıcı yumuşak şablon ve karbon kaynağı olarak kullanılan pluronik triblok kopolimer (PEO20-PPO70-PEO20, P123), grafen eldesinde de soyma (eksfolasyon) ajanı olarak işlev görmüştür. Kompozit yapıdaki grafen elektriksel iletkenliği arttırıp, geniş yüzey alanı ile elektrik çift katman kapasitansa katkı sağlarken, pseudo-kapasitif (sözde kapasitif) MnO2 toplam kapasitans ve enerji yoğunluğunu arttırmıştır. Yumuşak şablon (P123), iyon difüzyonunu kolaylaştıracak nanogözenek yapısının oluşmasını ve toplam gözenek hacminin artmasını sağlamıştır. Sentezlenen kompozitin fiziksel ve kimyasal karakterizasyonu (X-ışını difraktometresi, Raman spektroskopisi, termogravimetrik analiz, X-ışını fotoelektron spektroskopisi, yüzey alanı ve gözenek boyutu analizi, taramalı elektron mikroskobu ve geçirimli elektron mikroskobu) yapıldıktan sonra elektrokimyasal performansı; döngüsel voltametri, galvanostatik şarj-deşarj ve elektrokimyasal empedans spektroskopisi yöntemleriyle incelenmiştir. Kompozitten elde edilen elektrot 0-1,2 V çalışma potansiyel aralığında 1 M Na2SO4 sulu elektrolit ile (Ag/AgCl sat. KCl) test edilmiş ve 1 A g-1 akım yoğunluğunda yüksek spesifik kapasitans (587,4 F g-1) sergilemiştir. Elektrodun empedans davranışı modifiye edilmiş Kang eşdeğer devresi ile modellenerek oldukça düşük bir iç direnç (24,17 Ω) gösterdiği belirlenmiştir. MnO2/Grafen//MnO2/Grafen simetrik süperkapasitör ile 0,1 A g-1 akım yoğunluğunda 2 Wh kg-1 (33 W kg-1) enerji yoğunluğuna ulaşılmıştır. MnO2/Grafen//Fe3O4/Karbon ve MnO2/Grafen//Aktif Karbon asimetrik süperkapasitörler ile 0,1 A g-1 akım yoğunluğunda sırasıyla 21.10 Wh kg-1 (106.14 W kg-1) ve 24,80 Wh kg-1 (103,78 W kg-1) enerji yoğunlukları elde edilmiştir. Büyük ölçekte uyarlanabilir pratik bir yöntemle elde edilen bu malzemenin enerji depolama uygulamalarında kayda değer bir katkı sağlaması beklenmektedir.