Akademik Veri Yönetim Sistemi
Tezin Türü: Doktora
Tezin Yürütüldüğü Kurum: İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa, Mühendislik Fakültesi, Kimya Bölümü, Türkiye
Tezin Onay Tarihi: 2019
Tezin Dili: Türkçe
Öğrenci: Seda Polat
Danışman: Gülten Atun
Özet:
Son yıllarda hızla gelişen teknoloji sonucu artan enerji talebi taşınabilir enerji depolama aygıtlarına olan ihtiyacı arttırmıştır. Süperkapasitörler hızlı şarj-deşarj özellikleri yüzünden pillerden daha çok tercih edilen enerji depolama aygıtlarıdır. Günümüzde, süperkapasitör uygulamaları için yüksek kapasiteli, düşük maliyetli, toksik özellik barındırmayan elektrot malzemelerinin geliştirilmesi önemli bir araştırma alanı haline gelmiştir. Farklı sentez yöntemleriyle hazırlanan nano-yapılı geçiş metal oksit ve hidroksitleri ile iletken polimerlerin yüksek kapasitans, hızlı şarj-deşarja sahip ve yüksek çevrim ömrüne sahip olan umut verici malzemeler olduğu görülmüştür
Bu çalışmada yüksek kapasitif, ucuz maliyetli, toksik özellik barındırmayan ikili geçiş metalleri çift katmanlı nikel kobalt hidroksit (Ni-Co LDH) yapılar ile alüminyum metal katkılı Ni-Co-Al LDH yapılar üre (CO(NH2)2) ve amonyum florür (NH4F) varlığında hidrotermal sentez yöntemi ile sentezlenmişir. Polipirol (PPy) film kaplamalar ardışık çevrimsel voltametri (CV) yöntemi ile asidik ortamda pirolun elektro-polimerizasyonu gerçekleştirilmiştir. Her iki sentez yönteminde de substrat olarak grafit ve modifiye edilmiş grafit eletkrotlar kullanılmıştır. Grafit modifikasyonları grafit substrat üzerine çinko ve bakır metallerinin elektrodepozisyonu ile yapılmıştır. Bu modifikasyonlar ile akım toplayıcı elektrot malzemesi olarak da kullanılan grafit substratın yüzey alanını genişletecek biçimde pürüzlü bir metal bir yüzeye sahip olması ve düşük ohmik direnç göstermesi hedeflenmiştir. Kobalt, nikel hidroksitler, nikel-kobalt LDH ve alüminyum katkılı nikel-kobalt LDH elektroaktif malzemeler ucuz ve kolay hidrotermal sentez yöntemiyle tek aşamada herhangi bir bağlayıcı polimer malzeme kullanmadan G, G/Zn ve G/Zn/Cu elektrotlar üzerine ince film olarak kaplanmıştır.
Malzemelerin yüzeyleri FTIR (Fourier kızıl ötesi dönüşüm) spektroskopisi ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) analizleri ile karakterize edilmiştir. Elementel haritalama ve nicel analiz elektron geri saçılma difraksiyonu (EBSD) tekniği ile yapılmıştır. Kapasitif performansların değerlendirilmesi çevrimsel voltametri (CV), galvanostatik şarj/deşarj (GCD) ve elektrokimyasal empedans spektrumları (EIS) ölçümleri ile gerçekleştirilmiştir. Elektrotların performansı 3-elektrotlu hücre düzeneği, cihazların enerji depolama performansı ise 2-elektrotlu hücre düzeneği kullanılarak ölçülmüştür. Elektrokimyasal hücre kapasitansı galvanostatik şarj-deşarj (GCD) eğrilerinden bulunmuş, deşarj süresince elektrottan çekilen yük miktarının şarj ile depolanan yük miktarına oranını gösteren kulonbik verim (%η) değerleri hesaplanmıştır.
Yük depolama mekanizmaları ile süperkapasitörün fiziksel yapısını ve elektrokimyasal karakteristiklerini doğrudan simüle etmek, hem dinamik hem de uzun zaman davranışlarını belirlemek için eşdeğer devre modellemelerinden yararlanılmıştır. Eşdeğer devre modellerinin hazırlanması ve deneysel empesans eğrileri ile fitlerinin yapılmasında elektrotlar için LEVM version 8.12 (CNLS, complex nonlinear-least-squares) programı, asimetrik süperkapasitör (ASC) coincell cihazlar için Gamry Echem Analyst programı kullanılmıştır.
Grafit yüzey üzerine yapılan çinko ve bakır depozisyonları hem yüzeyde makro pürüzlülük hem de ESR’nin azalmasını sağlamıştır. Grafit substrat üzerine sırasıyla Zn ve Cu elektrodepozisyonu ile yapılan modifikasyonlar hidrotermal sentez sırasında Al3+ difüzyon hızının artmasına neden olmuş, morfolojik yapının tüm yüzeye iyi adapte olmuş ultraince kıvrımlı ve gözenekli yapıda olmasını sağlamıştır. Nikel sülfat (NS) ve kobalt sülfat (CS) çözeltisi içinde hazırlanan alüminyum katkılı elektrot (G/Zn/Cu/NSCS+Al) için 3-elektrotlu düzenekte 5 mA cm−2 de 2.17 F cm−2 alan kapasitans değerine ulaşılmıştır.
Grafit ve modifiye grafitler üzerinde PPy psödokapasitör olarak hazırlanan elektrotlar için elektrokimyasal performansları incelenmiş ve en yüksek kapasitans değeri 5 mA cm−2’de 1.62 F cm−2 ile G/Zn/Cu/PPy için bulunmuştur. G/Zn/Cu substrat üzerinde PPy elektrot malzemesinin kolay elektrolit iyon transportu ve daha fazla elektroaktif bölge sağlayabilen tabakalı yapıların oluşturdukları gözenekli morfolojide sentezlendiği görülmüştür.
Grafitin negatif elektrot olarak kullanıldığı asimetrik süperkapasitörlerin (ASC) enerji (E) ve güç (P) hesaplamaları yapılmıştır. G/Zn/Cu/NSCS+Al//G için 1 mA cm−2’de 64.26 mW s cm−2 enerji yoğunluğu ve 8 mA cm−2’de 3.95 mW cm−2 güç yoğunluğu bulunmuştur. 3 mA cm−2’de 3000 şarj-deşarj sonunda kapasitansın azalmadığı, artmaya devam ettiği görülmüştür. G/Zn/Cu/PPy//G için 0.5 mA cm−2’de 84.72 mW s cm−2 enerji yoğunluğu ve 5 mA cm−2’de 1.46 mW cm−2 güç yoğunluğu bulunmuştur. 3 mA cm−2’de 1000 şarj-deşarj sonunda kapasitans azalma görülmemiştir.
En yüksek performansın gözlendiği G/Zn/Cu/NSCS+Al ve G/Zn/Cu/PPy elektrotlarla coincell tipi cihazlar tasarlanarak uzun süreli şarj-deşarj çevrimine tabi tutulmuştur. G/Zn/Cu/NSCS+Al//G coincell ASC’de 1.8 mA cm−2 ye kadar yükseltilen akım yoğunluklarında 13500 şarj-deşarj sonunda bile kapasitansın korunmaya devam ettiği görülmüştür. G/Zn/Cu/PPy//G ASC coincell cihazda ise 2000 şarj-deşarj sonunda kalan kapasitans oranı %90.3 olarak bulunmuştur. Bulunan kapasitans değerleri ortalama bir değerde olsa da süperkapasitör uygulamalarında uzun şarj-deşarj ömrü önemli bir performans kriteriteridir. Yapılan modifikasyonlar sonucu mekaniksel dayanımı yüksek kararlı yapıda olduğu anlaşılan G/Zn/Cu/NSCS+Al//G ASC’de şarj-deşarj ömrü oldukça yüksek bulunmuştur.
G/Zn/Cu/NSCS+Al elektrot örneğinin morfolojisi üzerinde alüminyum difüzyonun etkili olduğu anlaşılmaktadır. İleride yapılacak olan çalışmalarda da bu tür yapılar üzerinde difüzyon etkileri farklı metallerle, farklı koşullar altında denenerek araştırılabilir.
G/Zn/Cu/NSCS+Al pozitif elektrot ve G/Zn/Cu/PPy’ün negatif elektrot olarak kullanımı ile ASC’ün çalışma potansiyel aralığının artması sağlanabilir. PPy’ün negatif elektrot olarak performansında artış sağlaması için ilave modifikasyonlar denenebilir. Bu malzemelerin yüksek güç uygulamaları için tüm gereksinmelerini yerine getirecek şekilde hızlı şarj-deşarj performaslarında çalışmaları olanaklı hale getirilebilir.