Karbon bazlı kompozit elektrotların elektrokimyasal yöntemlerle performansının değerlendirilmesi
Performance evaluation of carbon˗based composite electrodes via electrochemical methods
Yazar: DENİZ ÖNAL UYAR
Danışman: PROF. DR. MUZAFFER BALBAŞI
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Süperkapasitörler (SK) son yıllarda yüksek spesifik kapasitans (Cp), güç yoğunluğu (P) ve çevrim ömrü gibi performans ölçütleri nedeniyle hala popüler araştırma konuları arasında yer almaktadır. Elektrokimyasal performansı artırmak için karbon bazlı SK'lerin elektrot gözenek yapısı, elektrolit cinsi ve membran optimum kombinasyonlarının yanı sıra; metal oksit veya iletken polimer içeren kompozit elektrotlar da sıklıkla kullanılmaktadır. Bu çalışmada, metal oksit olarak aktif karbon (AK) içinde %5 oranında mangan (IV) oksit (MnO2) ile katkılandırılmış elektrotlar kullanılmıştır. Elektrokimyasal performans deneyleri farklı derişimlerde m˗fenilendiamin (MPD) ve potasyum iyodür (KI) içeren 1 M sülfürik asit (H2SO4) redoks aktif elektrolit ile gerçekleştirilmiştir. Performans ölçümlerinde, çevrimsel voltametri (CV) ve sabit akım şarj˗deşarj (CCCD) teknikleri kullanılmıştır. Ölçümler 0,8 V potansiyel aralıkta, 5 mVs˗1 tarama hızı ve 0,02 A sabit akım altında gerçekleştirilmiştir. Farklı potansiyel aralıklar, tarama hızları, akımlar, elektrolit içerikleri ile CV ve CCCD yöntemleri kullanılarak analizler tekrarlanmış ve elde edilen veriler; ortalama akım (iort), Cp, enerji yoğunluğu (E), P, eşdeğer seri direnç (ESR) ve kolombik verim () değerlerinin hesaplanmasında kullanılmıştır. AK elektrotlu SK'de Cp, 1 M H2SO4 elektrolit ile 35,07 Fg˗1 iken, redoks aktif madde olarak kullanılan MPD derişimi 0,75 M olduğunda ~1,3 kat artışla 45,85 Fg˗1 olarak hesaplanmıştır. Aynı şekilde KI kullanıldığında ise 0,50 M derişimde Cp ~5 kat artışla 175,39 Fg˗1 olarak elde edilmiştir. Bu sonuç, Cp'de makul performans artışının KI redoks aktif elektrolit ile sağlandığını göstermiştir. Sonraki aşamada KI içeren redoks aktif elektrolit kullanılarak, AK ve MnO2 katkılı kompozit elektrotlar karşılaştırılmıştır ve Cp'nin ~1,5 kat arttığı gözlenmiştir. Ragon grafiği ile kompozit elektrot ve redoks aktif elektrolitli SK'lerde daha yüksek enerji yoğunluğu elde edildiği gösterilmiştir. 1 M H2SO4 ve 0,50 M KI redoks aktif elektrolitli, kompozit elektrotlu SK'ler ile 0,01 A uyarıcı alternatif akım (AC) altında elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) deneyleri gerçekleştirilmiş ve Nyquist grafikleri elde edilmiştir. AC empedans verisi ile elde edilen elektriksel eşdeğer modele göre 1 M H2SO4 ve 0,5 M KI elektrolit içinde yığın dirençler (Rs) sırasıyla 0,62   ve 0,54 , yük transfer dirençleri (Rct) ise 0,3  ve 0,17  olarak hesaplanmıştır.

Abstract:
Supercapacitors (SCs) continue to be popular research topics due to their performance criteria like high specific capacitance (Cp), power density (P), and cycling life. In addition to optimal combinations of carbon˗based SC electrolyte type, porous electrode structure and membrane; composite electrodes containing metal oxides or conductive polymers are also frequently used to enhance electrochemical performance. This study utilized electrodes incorporating 5% manganese (IV) oxide (MnO2) as a metal oxide additive in activated carbon (AK). Electrochemical performance experiments were conducted using redox˗active electrolytes containing varying concentrations of m˗phenylenediamine (MPD) and potassium iodide (KI) in 1 M sulfuric acid (H2SO4). Cyclic voltammetry (CV) and constant current charge˗discharge (CCCD) techniques were employed for performance measurements. The measurements were carried out at a scanning rate of 5 mVs ˗1 and a constant current of 0.02 A within a potential range of 0.8 V. Analyses were repeated using different potential ranges, scanning rates, currents, electrolyte compositions, and employing CV and CCCD methods to calculate the values of average current (iort), Cp, energy density (E), P, equivalent series resistance (ESR) and coulombic efficiency (). For AK based SC, Cp was calculated as 35.07 Fg˗1 in 1 M H2SO4, which increased by approximately 1.3 times to 45.85 Fg ˗1 when the MPD concentration used as the redox˗active material was 0.75 M. Similarly, when KI was used, Cp of 175.39 Fg ˗1 was achieved at a concentration of 0.5 M, corresponding to a ~5˗fold increase. This result demonstrated a reasonable performance improvement in specific capacitance using the KI redox˗active electrolyte. In the subsequent stage, AK electrodes were compared to composite electrodes incorporating MnO2 while using KI redox˗active electrolyte and 1.5˗fold increase in Cp was observed. The Ragone plot indicated higher energy density was obtained with composite electrode and redox˗active electrolyte. Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) experiments were conducted for composite electrode SCs at a stimulating alternating current (AC) of 0.01 A using 1 M H2SO4 and 0.5 M KI redox˗active electrolyte, yielding Nyquist plots. According to the electrical equivalent model, in 1 M H2SO4 and 0,5 M KI electrolyte, bulk resistances (Rs) were determined as 0.62 Ω and 0.54 Ω, the charge transfer resistances (Rct) were found to be 0.3 Ω and 0.17 Ω, respectively.