Süperkapasitör için esnek ve kendi kendini iyileştirebilen hidrojel elektrolit sentezi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of flexible and self-healable hydrogel electrolyte for supercapacitor
Yazar: AYŞE OYMAK
Danışman: PROF. DR. EMİNE YAĞMUR
Ankara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Elektrolitler = Electrolytes ; Hidrojeller = Hydrogels

Özet:
Yeni nesil akıllı malzemelerde kendini iyileştirebilme özelliği doğadaki biyolojik hasarların iyileşmesini taklit eden bir kavramdır. Kendini iyileştirme yeteneğine sahip malzemeler kullanılarak üretilen cihazlar, dayanıklılıkları ve uzun ömürlü olması nedeniyle dikkat çekmektedir. Özellikle esnek elektrokimyasal enerji depolama sistemleri, giyilebilir ve taşınabilir elektronik cihazlarda (akıllı saatler, vücut sensörleri, akıllı gözlük vb.) çok geniş kullanım potansiyeline sahiptir. Bu nedenle son yıllarda germe, bükme, sıkma gibi mekanik hasarlara dayanıklı, kendi kendini iyileştirebilen süperkapasitörler üzerinde çalışmalar yoğunlaşmıştır. Özellikle kendini iyileştiren elektrolitler, bu tür fiziksel hasarları onarabilmekte ve elektrot/elektrolit arayüzeyinde iyi bir temas sağlamaktadır. 
Bu tez çalışmasında da süperkapasitörler için esnek ve kendi kendini iyileştirebilen hidrojel elektrolit sentezlenmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla iki farklı sentez yöntemi ile kendini yenileyebilen hidrojeller sentezlenmiştir. İlk yöntemde monomer olarak akrilik asit, çapraz bağlayıcı olarak farklı oranlarda etilen glikol, başlatıcı olarak amonyum per sülfatın kullanıldığı kendini iyileştirebilen hidrojeller elde edilmiştir. İkinci yöntemde ise polivinil alkol monomer olarak kullanılarak, farklı derişimlerde sülfürik asit (H2SO4) çözeltisi ile ince film şeklinde kendini iyileştirebilen hidrojel elektrolitler sentezlenmiştir. Farklı monomerler ve çapraz bağlayıcılar kullanılarak üretilen hidrojellerin öncelikle kendi kendini iyileştirme testleri ve karakterizasyon analizleri (FTIR, XRD, TGA, çekme testi) yapılmıştır. Analiz sonuçları kendi kendini iyileştirebilen hidrojellerin üretildiğini göstermiştir. Kendi kendini iyileştirebilen hidrojellerden elektrolit olarak kullanımı en uygun olanların performansını test etmek için elektrokimyasal analizler (CV, GCD, EIS) gerçekleştirilmiştir. PVA1SA (1M H2SO4 çözeltisi içeren) hidrojel elektroliti kullanılarak hazırlanan süperkapasitör hücresinin spesifik kapasitansı 1 A/g akım yoğunluğunda 80.00 F/g olarak ölçülmüştür. Bu değer ticari separatör kullanılarak hazırlanan süperkapasitör hücresinin spesifik kapasitansı (56.40 F/g) ile karşılaştırıldığında oldukça yüksektir. Ayrıca hidrojel sentezinde kullanılan H2SO4 derişiminin artması da süperkapasitör performansını artırmıştır (2M H2SO4 çözeltisi içeren PVA2SA için kapasitans değeri 85.55 F/g). Tezin son aşamasında ise kendi kendini iyileştirebilen PVA1SA hidrojeli kesilerek yeniden birleştirilmiş ve sonrasında süperkapasitör hücresine yerleştirilmiştir. Bu hidrojelin spesifik kapasitansı 74.30 F/g olarak ölçülmüştür. Bu sonuç hidrojel elektrolitin kesme-iyileştirme işlemi sonrasında elektrokimyasal özelliklerini koruduğunu göstermiştir.

Abstract:
Self-healing in new generation smart materials is a concept that mimics the healing of biological damage in nature. Devices manufactured using self-healing materials are attracting attention due to their durability and longevity. In particular, flexible electrochemical energy storage systems have the potential to be widely used in wearable and portable electronic devices (smart watches, body sensors, smart glasses, etc.). For this reason, studies on self-healing supercapacitors that are resistant to mechanical damage such as stretching, bending and squeezing have been intensified in recent years. Especially self-healing electrolytes are able to repair such physical damages and provide good contact at the electrode/electrolyte interface.
In this thesis, it is aimed to synthesize flexible and self-healing hydrogel electrolyte for supercapacitors. For this purpose, self-healing hydrogels were synthesized by two different synthesis methods. In the first method, self-healing hydrogels were obtained using acrylic acid as monomer, ethylene glycol at different ratios as crosslinker and ammonium persulfate as initiator. In the second method, polyvinyl alcohol was used as monomer and self-healing hydrogel electrolytes in the form of thin films were synthesized with sulfuric acid (H2SO4) solution at different concentrations. Firstly, self-healing tests and characterization analyses (FTIR, XRD, TGA, tensile) of hydrogels produced using different monomers and crosslinkers were carried out. The results of the analysis showed that self-healing hydrogels were produced. Electrochemical analyses (CV, GCD, EIS, tensile stress test) were performed to test the performance of the most suitable self-healing hydrogels for use as electrolytes. The specific capacitance of the supercapacitor cell prepared using PVA1SA (containing 1M H2SO4 solution) hydrogel electrolyte was measured as 80.00 F/g at a current density of 1 A/g. This value is quite high compared to the specific capacitance of the supercapacitor cell prepared using commercial separator (56.40 F/g). In addition, increasing the H2SO4 concentration used in the hydrogel synthesis also improved the supercapacitor performance (capacitance value 85.55 F/g for PVA2SA containing 2M H2SO4 solution).In the final stage of the thesis, the self-healing PVA1SA hydrogel was cut and reassembled and then placed in the supercapacitor cell.The specific capacitance of this hydrogel was measured as 74.30 F/g.This result showed that the hydrogel electrolyte retained its electrochemical properties after the cutting-healing process.