Esnek yapılı süperkapasitörler için karbon kumaş bazlı grafen ve MnO2 katkılı kompozit elektrotların üretimi ve elektrokimyasal özelliklerinin incelenmesi
Production of carbon fabric-based graphene and MnO2 doded composite electrodes for flexible supercapacitors and examination of their electrochemical properties
Yazar: TUĞÇE RÜMEYSA ER
Danışman: DOÇ. DR. SAFA POLAT
Karabük Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Süperkapasitör = Supercapacitor

Özet:
Günümüzde, sanayileşme ve artan nüfustan kaynaklanan enerji talebi çoğunlukla yenilenemeyen enerji kaynakları ile karşılanmakta, enerji üretimi ve tüketimi arasındaki fark hızla büyümektedir. Bu enerji talebindeki artışın karşılanması için yenilenebilir enerji kaynaklarının geliştirilmesi amacı ile çalışmalar hız kazanmakta ve üretilen enerjinin depolanabilirliğinin sağlanabilmesi için, enerji depolanma sistemlerine (EDS) olan talep de gün geçtikçe artmaktadır. EDS uygulamaları için geliştirilen süperkapasitörler, hibrit mimarisi ile elektrokimyasal performansı artırabilmekte ve bu hibrit süperkapasitör elektrotları, bileşenlerin gözenekliliğine, yüzey alanına, iletkenliğine vb. bağlı olarak yüksek spesifik kapasitans ve stabilite sunmaktadır. 

Bu tez çalışmasında bileşenlerin konsantrasyonuna bağlı üretim parametreleri değiştirilerek grafen nanoplakaların (GNPs) katmanlı boşlukları arasında ve karbon kumaş yüzeylerinde nanotüp geometrili MnO2'lerin sentezlenmesi için optimum üretim koşullarının belirlenmesi amaçlanmaktadır. Ayrıca üretilen elektrotların elektrokimyasal testleri, elektrolit sıvıları ile fiziksel ve kimyasal etkileşimleri incelenerek MnO2+GNPs birlikteliğinin sinerjik etkisinin kapsamlı bir şekilde açıklanması arzu edilmektedir. Bu incelemeler sonunda üretilen esnek yapılı elektrotlarda geniş yüzey alanı ve iletkenlik kombinasyonu sağlanarak gerçek ortam koşullarındaki elektrokimyasal performanslarının ortaya konulması amaçlanmaktadır. Karakterizasyon işlemleri FTIR, XRD, XPS, SEM, TEM analizleri ile gerçekleştirilmiş ve CV, GCD ve EIS teknikleri ile elektrokimyasak ölçümleri yapılmıştır.

Karakterizasyon sonuçları, karbon kumaş yüzeylerinde yaklaşık 50 nm kalınlığında MnO2 nanoçubuklarının oluştuğunu ve grafen tabakalarının bu çubukların arayüzlerine sıkıca sentezlendiğini ortaya koymuştur. Elektrokimyasal analizler, elektrotların çoğunlukla difüzyon kontrollü bir şarj mekanizmasıyla çalıştığını ve en yüksek spesifik kapasitansın 0,2 A/cm³ akım yoğunluğunda 205 F/cm³ olarak hesaplandığını göstermektedir. Ayrıca, bu elektrotların enerji ve güç yoğunlukları sırasıyla 18,2 Wh/cm³ ve 130 W/cm³ olarak belirlenmiştir. Özellikle, bu elektrotların performansının literatürdeki çalışmalara kıyasla neredeyse üç kat daha yüksek olması, süper kapasitör uygulamaları için önemli bir bulgu olduğunu göstermektedir.

Abstract:
Today, the energy demand arising from industrialization and increasing population is mostly met by non-renewable energy sources, and the difference between energy production and consumption is growing rapidly. In order to meet this increase in energy demand, studies are accelerating with the aim of developing renewable energy sources and the demand for energy storage systems (EDS) is increasing day by day in order to ensure the storability of the produced energy. Supercapacitors developed for EDS applications can increase electrochemical performance with their hybrid architecture, and these hybrid supercapacitor electrodes can be adapted to the porosity, surface area, conductivity, etc. of the components. It offers high specific capacitance and stability.
In this thesis, it is aimed to determine the optimum production conditions for the synthesis of nanotube geometry MnO2s between the layered spaces of graphene nanoplates (GNPs) and on carbon fabric surfaces by changing the production parameters depending on the concentration of the components. In addition, it is desired to comprehensively explain the synergistic effect of the MnO2+GNPs combination by examining the electrochemical tests of the produced electrodes and their physical and chemical interactions with electrolyte liquids. At the end of these investigations, it is aimed to reveal the electrochemical performances in real ambient conditions by providing a combination of large surface area and conductivity in the flexible electrodes produced. Characterization processes were carried out with FTIR, XRD, XPS, SEM, TEM analyzes and electrochemical measurements were made with CV, GCD and EIS techniques.

The characterization results revealed that MnO2 nanorods with a thickness of approximately 50 nm were formed on the carbon fabric surfaces and graphene layers were synthesized according to the ratios of these rods. Electrochemical analysis showed that the electrodes had a diffusion-controlled charging ratio and the highest specific capacitance was calculated to be 205 F/cm³ at a current density of 0.2 A/cm³. In addition, the energy and power regions of these electrodes were determined as 18.2 Wh/cm³ and 130 W/cm³, respectively. In particular, the fact that the technology of these electrodes is almost three times higher compared to the literature shows that it is an important finding for supercapacitor applications.