Kondansatörler öncelikle şarj depolama cihazlarıdır, ancak pillerle karşılaştırıldığında şarj depolama kapasiteleri oldukça azdır. Ancak ömürleri pillere göre çok daha uzun olduğundan, iç yapılarına göre farklı kategorilere ayrılsalar da kapasitörlerin çalışma prensibi aynıdır. Grafen kapasitör, elektronların çok daha serbest hareketini sağlayan ve ısının etkili bir şekilde dağıtılmasına olanak tanıyan grafen katmanlarına sahip bir tür süper kapasitördür.
Ana hat:
- Süper kapasitörler nelerdir?
- Süper kapasitörlerin çalışması
- Grafen Süper Kapasitör
- Süperkapasitörlerde grafen bazlı elektrotlar
- Grafen bazlı süper kapasitörlerin performansı
- Çözüm
Süper kapasitörler nelerdir?
Grafen kapasitörünü anlamak için süper kapasitörler hakkında bilgi sahibi olmak gerekir çünkü grafen kapasitör de süper kapasitörler kategorisine girer. Genel kapasitörlerin aksine, akşam yemeği kapasitörleri, özelliklerini de etkileyen farklı bir iç yapıya sahiptir. Süper kapasitör, bir yalıtım ortamı ile ayrılmış elektrolitlere ve elektrolit ile temas halinde olan aktif karbon elektrotlara sahiptir. Elektrolit esas olarak sülfürik asit veya potasyum oksittir ve ayırıcı genellikle Kapton'dur:
Süperkapasitörlerin Çalışması
Bir süper kapasitör herhangi bir güç kaynağına bağlanmadığında, yükler polaritelerine bakılmaksızın elektrolit boyunca dağılır, güç kaynağı buna bağlandığında akım kapasitörden akmaya başlar ve anot pozitif yükü aldığında tüm süper kapasitör elektrolitteki negatif iyonlar anot elektroduna doğru hareket etme eğilimindedir. Katot negatif olarak yüklenirken tüm pozitif iyonlar katoda doğru hareket eder:
Elektrot ile elektrolit arasındaki bu çekim kuvveti elektrostatik kuvvettir ve iyonların elektrotlara çekilmesi elektriksel çift tabakanın oluşmasına neden olur. Bu katman yüklerin depolanmasından sorumludur ve bu katmanın oluşumu nedeniyle süperkapasitörlere elektriksel çift katmanlı kapasitörler de denir.
Süper kapasitör bu şekilde şarj edilir ve süper kapasitörün terminallerine herhangi bir yük bağlandığında elektrotlardaki yük yükten akmaya başlar. Bu şekilde her iki elektrot da yükleri çekemediğinden yük kaybetmeye başlar ve bunun sonucunda tüm yükler elektrotları terk ettiğinde kapasitör boşalır.
Böylece iyonlar tekrar elektrolitlere dağılır ve basit bir süperkapasitör bu şekilde çalışır.
Grafen Süper Kapasitör
Grafen, çoğunlukla kalemlerin içinde bulunan ve aynı sayıda atoma sahip, ancak bunlar farklı şekilde düzenlenmiş bir karbon elektrotu olan grafitten gelir. Grafitin aksine, grafen altıgen petek şeklinde düzenlenmiş iki boyutlu tek atomlu bir katmana sahiptir. Bu yapı, atomların güçlü kovalent bağlar oluşturmasına olanak tanır ve bu da ona daha yüksek bir gerilme mukavemeti ve yüksek esneklik kazandırır. Bu özellikleri nedeniyle grafen elektronların serbestçe hareket etmesine ve daha yüksek elektrik iletkenliğine sahip olmasına olanak tanır.
Süper kapasitörlerin plakalar arasındaki mesafeleri daha kısa olduğundan, daha fazla statik yük depolamalarına olanak tanıyan grafen, alüminyum katmana kıyasla atom boyutunda çok ince bir katmana sahiptir. Böylece grafen kapasitör, diğer süper kapasitörlerle karşılaştırıldığında daha fazla enerji depolamasına olanak tanıyan önemli ölçüde daha fazla yüzey alanına sahiptir.
Süper Kapasitörlerde Grafen Tabanlı Elektrotlar
Yukarıda belirtildiği gibi grafen, kapasitörün yük depolama kapasitesini artıran daha geniş bir yüzey alanı sağlar. Grafen kullanılarak elektrot üretimi için çeşitli teknikler kullanılır ve bunlardan ikisi şunlardır:
Grafen Köpük ile İmalat
Grafen köpüğü kullanılarak oluşturulan grafen elektrot, alanı birkaç cm'ye kadar genişletilebilen daha yüksek iletkenlik, hafif ve esnek elektrotlar sağlar 2 ve yüksekliği birkaç milimetreye kadar. Grafen köpüğü, nikel veya bakır köpük üzerinde büyütülerek kimyasal buhar biriktirme tekniğiyle oluşturulur. Bakır köpük üzerinde bir grafen köpük oluşturulduğunda, yüksek kaliteli bir grafen tabakası üretilir, ancak metal destek kaldırıldığında yapı kolayca çökebilir. Bununla birlikte, metal destekten herhangi bir hasar görmeden dikkatlice çekilebilecek çok katmanlı bir grafen katmanı oluşturmak için bunun yerine Nikel köpük kullanılabilir. Üstelik bu kimyasal sentez kullanılarak Nikel köpüğü aracılığıyla indirgenmiş grafen oksit de oluşturulabiliyor. Yüksek güç yoğunluğunun elde edilmesine yardımcı olan ve elektronlar ve iyonlar için daha kısa yollar sağlayarak yüklerin hızını artıran grafen ile birlikte bazı katkı maddeleri kullanılır. Bu katkı maddeleri, grafen bazlı elektrotların üretimini daha az maliyetli hale getiren metal oksitler, iletken polimerler ve metal hidroksitler olabilir.
Yukarıdaki görüntü, kimyasal buhar biriktirme yöntemi kullanılarak grafen katmanının oluşturulması sürecini göstermektedir.
Lazer Yazma ile İmalat
Lazer yazma yöntemi nispeten daha az maliyetlidir ve geniş alan azaltma tekniğini azaltarak tek adımda 3 boyutlu gözenekli grafen üretir. Bu yöntemde önce şablonun üzerine ince bir grafen tabakası biriktirilir ve ardından ticari lazer grafen oksit tabakasını ışınlar. Lazer ışığı grafen oksit üzerine düştüğünde, maruz kalma alanında gözenekli iletken malzeme oluşturur.
Sonuç olarak elektrolit iyonlarının yüzey alanı artar ve oksijen içeriği önemli ölçüde azalır. Önceki yöntemde olduğu gibi, doğrudan lazer yazımında bazı katkı maddeleri kullanılabilir; yani substrat, grafen oksit ve polimer karışımı olabilir veya substrat yalnızca polimer olabilir. Doğrudan lazer yazma sürecini gösteren bir resim:
Grafen bazlı süper kapasitörlerin performansı
Grafen kapasitörler etkili bir elektron ve iyon transferine sahiptir, bu da yüksek gravimetrik ve hacimsel kapasiteyle sonuçlanır. Ayrıca, daha yüksek çevrim hızı kararlılığı ve daha yüksek enerji kapasitesi sergilerler.
Çeşitli enerji depolama cihazlarının performansını ve davranışını incelemek için, spesifik enerji değerinin (Wh/Kg) spesifik güce (W/Kg) karşı çizildiği bir Ragone grafiği kullanılır. Grafik her iki eksen için de günlük ölçeği kullanır. Y ekseni, birim kütle başına enerji miktarı olan spesifik enerjiyi ölçer. X ekseni, birim kütle başına enerji dağıtım oranı olan güç yoğunluğunu ölçer.
Başka bir deyişle, Ragone grafiğindeki bir nokta, y ekseni üzerindeki enerjinin (birim kütle başına) x ekseni üzerindeki güçte (birim kütle başına) iletilebileceği süreyi verir ve bu süre ( bir saat içinde) enerji ve güç yoğunlukları arasındaki oran olarak verilmektedir. Daha sonra, bir Ragone grafiğindeki izo-eğrileri (sabit teslim süresi), birlik eğime sahip düz çizgilerdir. Aşağıdaki Ragone grafiği, çeşitli enerji depolama cihazları için spesifik enerjiyi (Wh/Kg) ve Spesifik gücü (W/Kg) gösterir:
Çözüm
Grafen kapasitör, grafitten gelen grafenden yapılmış elektrotlara sahip bir tür süper kapasitördür. Grafen, elektrolite geniş bir yüzey alanı sağlar, bu da kapasitansta bir artışa neden olur ve aynı zamanda küçük bir şarj süresine sahiptir. Dahası, grafen elektrotları oluşturmak için çeşitli teknikler vardır; bunlardan ikisi: grafen köpük ve doğrudan lazer yazma.