Nikel köpüklerin ergimiş KOH içerisinde anodik oksidasyonu ile süperkapasitör uygulamaları için elektroaktif nikel oksit üretimi ve karakterizasyonu

Süperkapasitörler günümüzde gelişen teknoloji ve artan enerji tüketimi dolayısı ile gün geçtikçe önem kazanmaktadır. Pil ve kapasitörler gibi diğer enerji depolama cihazları ile karşılaştırıldığında yüksek çevrim ömrü, yüksek enerji ve güç yoğunluğu gibi özellikleri sayesinde süperkapasitörler; kesintisiz güç kaynakları, elektrikli ve hibrit araçlar gibi çeşitli uygulama alanlarında yoğunlukla tercih edilmektedir. Yüksek çevrim ömrüne sahip ve faradaik olmayan reaksiyonlar içeren elektriksel çift tabaka süperkapasitörler, yüksek kapasitans değerleri veren ve faradaik redoks reaksiyonları içeren psödokapasitörler ve iki süperkapasitör türünün olumlu özelliklerini barındıran hibrit tipi olmak üzere üç çeşit süperkapasitör bulunmaktadır. Çift tabaka süperkapasitörlerde elektrot malzemesi olarak aktif karbon ve grafen gibi karbon esaslı malzemeler kullanılmaktadır. Farklı olarak, psödokapasitörlerde iletken polimerler ve geçiş metal oksitleri/hidroksitleri kullanılmaktadır. Nikel hidroksitler yüksek kapasitans değerleri, düşük maliyet ve çevresel açıdan uygun olması sebebi ile süperkapasitör uygulamalarında en uygun elektrot malzemelerinden biridir. Elektroaktif nikel hidroksit üretim yöntemleri incelendiğinde; toz formunda kimyasal sentez ve bağlayıcı içermeyen üretim yöntemleri olmak üzere iki ana grup altında toplandığı görülmektedir. Toz formunda kimyasal sentez yönteminde üretilen tozlar, asetilen siyahı, karbon siyahı, poliviniliden florür gibi iletken bağlayıcı polimerler ile karıştırılıp preslenerek, fiziksel olarak kararlı kompozit bir yapı oluşturulmaktadır. Bağlayıcı içermeyen üretim yöntemlerinde ise, filmin doğrudan metalik altlık üzerinden biriktirilmesi ile elektroaktif malzeme ile altlık arasında doğrudan elektronik teması sağlanarak, elektron taşınımını kolaylaştırmakta ve kapasitörlerin kapasitans değerlerini arttırmaktadır. Bağlayıcı içermeyen yöntemlerden biri olan hidrojen peroksit ile otoklavda basınç altında sentez yönteminde küçük hacimde reaktör gerektiğinden dolayı, alkali çözeltilerde anodik oksidasyon yönteminde metal yüzeyinin kontrolsüz pasifleşmesinden dolayı çalışmada alternatif bir yöntem olarak nikel köpük altlık kullanılarak ergimiş KOH ile anodik oksidasyon çalışılmıştır. Son yıllarda yapılmış bir çalışma olan ergimiş KOH elektroliti içerisinde referans, karşıt ve çalışan elektrotlar olarak nikel köpük kullanılarak belirli potansiyel aralığında 15 dk. süre ile anodik oksitlenen numunelerde nano levha formunda oluşan film, 4.74 F/cm2 (4 mA/cm2) değerinde oldukça yüksek bir kapasitans değeri göstermiştir. Bu çalışmadan yola çıkılarak, ergimiş KOH elektroliti içerisinde nikel köpüklerin anodik oksitlenmesi için gerekli parametreler (sıcaklık, süre, potansiyel aralığı), elde edilen oksit filminin morfolojik, kimyasal yapı analizi ve elektrokimyasal performans testlerinin ayrıntılı biçimde yapılması amaçlanmıştır. Yapısında su bulunan KOH peletleri 150-300 °C sıcaklık aralığında ergiyerek deneyin bu sıcaklıklar arasında gerçekleşmesini sağlamıştır. Anodik oksidasyon parametleri olan potansiyel, süre ve elektrolit sıcaklığı araştırılarak optimum çalışma aralıkları belirlenmiştir. İlk olarak 150-300 °C sıcaklık aralığında, 0.8 V, 15 dk. değerlerinde anodik oksidasyon gerçekleştirilmiş ve sıcaklığın kapasitif davranış üzerine etkisi araştırılmıştır. α-Ni(OH)2  NiO dönüşüm sıcaklığı olan 240 °C ve daha yüksek sıcaklık değerlerinde oksitlenen numuneye, döngüsel voltametri uygulandığında 1 mA/cm2 ve daha düşük akım değerleri elde edilmiştir. Bu yüksek sıcaklıklarda oksitlenen numunelerde anodizasyon potansiyelini değiştirmek, numuneler kapasitif özellik göstermediği için etkili olmamıştır. 150-200 °C sıcaklık aralığında üretilen numuneler CV eğrilerinde oldukça yüksek akım değerleri vererek, yapının amorf çok katmanlı α-Ni(OH)2 yapısı olduğu mikro-Raman, FT-IR, XRD analizleri ile doğrulanmıştır. Kimyasal yapıları aynı olmasına karşın farklı sıcaklıklarda SEM görüntülerinden morfolojik özellikleri incelenerek, 200 °C sıcaklıkta anodik oksitlenen nikel köpük, en yüksek yüzey alanına sahip numune olduğundan dolayı optimum sıcaklık değeri olarak 200 °C seçilmiştir. Anodizasyon potansiyelinin kapasitans değerine etkisi incelenmek üzere 0.4-1.4 V arası değerler uygulanmış ve 0.4 V ile 1.4 V potansiyel değerlerinde yetersiz kaplama veya kalınlığa bağlı olarak dökülmeler görülmüştür. En kararlı sonuçların alındığı 1 V değeri optimum potansiyel olarak seçilmiştir. Süreye bağlı olarak gerçekleştirilen oksidasyon denemelerinde 15, 30 ve 60 dk. süreleri denenmiştir. CV eğrisinde en yüksek akım değeri gösteren numune 60 dk. süre ile anodize edilen olmasına karşın SEM görüntülerine bakıldığında yapısında çatlaklar ve dökülmeler olduğu görülmektedir. 30 dk. süre ile anodize edilen numunenin kapasitif özellikleri 60 dk. ile oldukça yakın olup yapısal kararlılığı daha yüksek olduğundan optimum parametre olarak seçilmiştir. Elde edilen optimum değerler ile anodik oksitlenen nikel köpük numunenin kapasite değeri farklı akım yoğunluklarında CP testi ile hesaplanmış ve CV testi ile 1000 döngü uygulanarak sonrasında kapasitans değeri karşılaştırılarak çevrim ömrü belirlenmiştir. 1 mA/cm2 akım yoğunluğu altında 2.74 F/cm2 alansal kapasitans gösterirken, 20 mA/cm2 akım yoğunluğuna doğru çıkıldıkça kapasitans değeri 1.58 F/cm2 ile giderek düşüş göstermektedir. Bu değer 1000 döngü sonrası 2.2 F/cm2 değerine düşerek kapasitans değerinin %80.6'sını korumuştur.