Yüksek ve düşük sıcaklık dayanımına sahip aktif karbon temelli süperkapasitörlerin geliştirilmesi
Development of activated carbon based supercapacitors having high and low temperature resistance
Yazar: EZGİ YURTTAŞ
Danışman: PROF. DR. ZEKİ AKTAŞ
Ankara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Aktif karbon = Activated carbon ; Düşük sıcaklık = Low temprature ; Yüksek sıcaklık = High temperature

Özet:
İleri teknoloji ürünlerinin yaygınlaşması, enerji üretim ve depolama sistemlerinin geliştirilmesi yönelik araştırmaların yoğunlaşmasına neden olmuştur. Enerjinin sürekli ve kaliteli depolanabilmesi amacıyla piller, yakıt hücreleri ve elektrokimyasal kapasitörler gibi çeşitli elektrokimyasal enerji depolama sistemleri geliştirilmiştir. Geliştirilen bu sistemler, birçok elektronik cihazın, hibrit (melez) ve elektrikli araçların işletilmesine ve yenilenebilir enerji kaynaklarının (güneş, rüzgâr ve gelgit gücü vb.) yaygın bir şekilde kullanılmasına olanak sağlamaktadır. Ayrıca ileri savunma ve uzay sanayi cihazları, farklı sıcaklık koşullarında çalışabilen güç kaynaklarına gereksinim olduğunu göstermiştir. Süperkapasitörler olarak bilinen elektriksel çift tabaka kapasitörler, elektrot/elektrolit arayüzeyinde iyon adsorpsiyonu/desorpsiyonu ile yük depolaması özeliğine sahiptirler. Sınırlı sayıdaki araştırmalar, süperkapasitörlerin uygun elektrolit seçildiğinde yüksek ve düşük sıcaklık uygulamalarında kullanılabileceğini göstermiştir. Bu çalışmada, yüksek ve düşük sıcaklık dayanımına (direncine) sahip elektrolitler kullanılarak aktif karbon temelli süperkapasitörlerin üretilmesi, düşük ve yüksek sıcaklıklarda elektrokimyasal performanslarının incelenmesi amaçlanmıştır. Araştırmanın ilk aşamasında tekrarlanabilir testlerin yapılabilmesi için aktif karbon temelli elektrotlar hazırlanmıştır. İkinci aşamada ise süperkapasitör üretiminde kullanılacak yüksek ve düşük sıcaklık dayanımına sahip elektrolitler hazırlanmıştır. Son aşamada ise süperkapasitörler hazırlanarak -40 C, 25C ve 80 C ortam sıcaklıklarında 2V çalışma potansiyeli uygulanarak elektrokimyasal performansları incelenmiştir. Elektrokimyasal performans testleri, iyonik sıvı elektrolitlerin organik çözücüler ile birlikte kullanıldığında, süperkapasitölere yüksek iyonik iletkenlik ve yüksek ısıl kararlılık kazandırdığını göstermiştir. Sulu ortamda sentezlenen iyonik sıvı elektrolit 1.5V potansiyelin üzerinde bozulma göstermiştir. Bu duruma sentez sonrasında tamamen uzaklaşmayan suyun neden olduğu sonucuna varılmıştır. Katyonu pirolidinyum (pyrrolidinium) temelli olan iyonik sıvı kullanılan süperkapasitörlerin 5000 döngü sonunda, 25C'de kapasitanslarını yaklaşık % 10 arttırdıkları, -40C ve 80C'de kapasitanslarını yaklaşık % 90 oranında korudukları saptanmıştır.

Abstract:
Expansion of high technology products has caused to intensify research on the development of energy production and storage systems. Various electrochemical energy storage systems such as batteries, fuel cells and electrochemical capacitors have been developed in an attempt to ensure sustainable and high quality energy storage. These developed systems provide an opportunity the operation of many electronic devices, hybrid and electric vehicles and widespread use of renewable energy sources (solar, wind and tidal power, etc.). In addition, advanced defence and aerospace industry devices have shown the need for power supplies, which can operate in different temperature conditions. Electrical double layer capacitors, known as supercapacitors, characteristically possess the capability of charge storage via ion adsorption/desorption at electrode/electrolyte interface. Limited number of studies have shown that the supercapacitors can be used in high and low temperature applications as long as the selection of appropriate electrolyte is ensured. The aim of this study is to design activated carbon based supercapacitors using electrolytes having high and low temperature resistance and to study their electrochemical performance at low and high temperatures. In the first stage of the study, the active carbon based electrodes were prepared to perform reproducible tests. In the second stage, the electrolytes with high and low temperature resistance to be used in supercapacitor production were prepared. Finally, the supercapacitors were prepared and their electrochemical performances were investigated by applying 2V working potential at ambient temperatures of -40C, 25C, and 80C. Results of electrochemical performance tests demonstrate that supercapacitors gain high ionic conductivity and high thermal stability, when ionic liquid electrolytes are used with organic solvents. The ionic liquid synthesized in the aqueous medium showed a deterioration above the electrolyte potential of 1.5V. The reason lying behind is considered to be the remaining water being not able to be removed completely after the synthesis. The supercapacitors using pyrrolidinium cation based ionic liquids have been observed to, after 5000 cycles, increase capacitance by 10% at 25C and preserve by approximately 90% at -40C and 80C.