Yazdırılabilir akıllı enerji depolama sistemi için PVDF-HFP esaslı kompozit polimer elektrolitler

Günümüzde artan nüfus ve teknolojik gelişmeler, enerjiye olan talebin hızla yükselmesine neden olmaktadır. Bu ihtiyacın büyük bir bölümü hâlen fosil yakıtlar aracılığıyla karşılanmaktadır. Ancak bu kaynakların sınırlı rezervleri, çevresel zararları ve ekonomik yükleri sürdürülebilirlik açısından ciddi sorunlar doğurmaktadır. Bu nedenle, fosil yakıtlara alternatif olarak yenilenebilir enerji kaynaklarına yönelim artmıştır. Güneş, rüzgâr, jeotermal ve biyokütle gibi çevre dostu seçeneklerin geliştirilmesi, enerji altyapısının dönüşümünü desteklemektedir. Ancak bu sistemlerin doğaya bağımlı üretim profilleri, enerji arzının sürekliliği açısından bazı sınırlamalar ortaya koymaktadır. Bu nedenle, yenilenebilir enerjinin etkin kullanımında enerji depolama sistemleri kilit rol oynamaktadır. Enerji depolama teknolojileri arasında lityum iyon piller, yüksek enerji yoğunlukları, uzun çevrim ömürleri ve sistemlere kolay entegrasyonları sayesinde ön plana çıkmaktadır. Son yıllarda ise, esnek ve giyilebilir elektronik cihazların yaygınlaşmasıyla birlikte, mekanik esneklik, hafiflik ve şekil uyumluluğu gibi özelliklere sahip enerji depolama sistemlerine duyulan ihtiyaç artmıştır. Geleneksel üretim yöntemleri bu tür yapılar için yetersiz kalmakta, bu nedenle alternatif üretim teknolojileri araştırılmaktadır. Bu bağlamda yazdırılabilir pil sistemleri, üretim kolaylığı, düşük maliyet ve ölçeklenebilirlik gibi avantajlarıyla dikkat çekmektedir. Özellikle serigrafi baskı, esnek pil bileşenlerinin üretimi için en yaygın kullanılan yöntemlerden biri hâline gelmiştir. Serigrafi baskı sürecinde mürekkebin reolojik özellikleri kritik öneme sahiptir. Ancak sıvı elektrolitlerin düşük viskoziteleri ve uçuculukları, bu yönteme uygun olmamalarına neden olmaktadır. Bu nedenle serigrafiyle uyumlu alternatif çözümler gerekmektedir. Bu noktada polimer elektrolitler, hem güvenli yapıları hem de baskıya uygun reolojik özellikleriyle öne çıkmaktadır. Özellikle PVDF-HFP kopolimeri, yüksek dielektrik sabiti, mekanik dayanımı ve iyon taşıma kapasitesi ile dikkat çekmektedir. Bununla birlikte, bu yapının kristalin doğası iyon hareketliliğini sınırlandırabilmektedir. Bu sınırlamaları aşmak adına, polimer matrislere inorganik nano katkıların dahil edilmesi, son yıllarda sıklıkla başvurulan bir yaklaşımdır. Özellikle iki boyutlu malzemeler olan MXene'ler, elektrokimyasal performansı iyileştirmedeki potansiyelleriyle dikkat çekmektedir. Ancak bu malzemelerin polimer elektrolit sistemlerinde kullanımına dair çalışmalar henüz sınırlıdır. Bu tez çalışması kapsamında, PVDF-HFP esaslı bir polimer matrise Ti₃C₂Tx-MXene katkısı yapılarak, yüksek iyonik iletkenlik, elektrokimyasal kararlılık ve baskı teknolojileriyle uyumluluk gibi çok yönlü performans kriterlerini sağlayan kompozit bir elektrolit sistemi geliştirilmesi hedeflenmiştir. Çalışmalar, farklı oranlarda (ağırlıkça %5, %10, %15, %20 ve %25) MXene katkılarıyla yürütülmüş ve katkı oranının elektrolit performansı üzerindeki etkisi sistematik olarak incelenmiştir. Elde edilen bulgular, MXene miktarının sadece varlığıyla değil, aynı zamanda miktarının hassas biçimde kontrol edilmesiyle performansın doğrudan ilişkili olduğunu ortaya koymaktadır. Bu doğrultuda yürütülen fiziksel, reolojik ve elektrokimyasal karakterizasyon çalışmaları sonucunda, optimum performansı sağlayan katkı oranı belirlenmiştir. Bu katkı oranı, yüksek iyonik iletkenlik değerleriyle birlikte geniş bir elektrokimyasal pencere sağlamıştır. Ayrıca NMC811 katotu ile yarım hücre düzeneğinde test edilmiş; 100 çevrim sonunda kapasiteyi yüksek oranda koruyarak dikkat çekici elektrokimyasal stabilite sunmuştur. Reolojik analizler de bu elektrolitin viskozite ve akış özelliklerinin baskı sürecine uyumlu olduğunu doğrulamıştır. Elde edilen bu bulgular, geliştirilen yapının hem serigrafi ile üretilebilirliğini hem de enerji depolama uygulamaları açısından pratik potansiyelini ortaya koymaktadır.