Süperkapasitörlerde kullanılan ?-Co(OH)2 bileşiğinin sentezi, karakterizasyonu ve süperkapasitör özelliğinin iyileştirilmesi
Synthesis, characterization and improvement of ??Co(OH)2 for supercapacitor application
Yazar: ABDULHAMİT AYDIN
Danışman: PROF. DR. ŞABAN PATAT
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2012
Konu: Enerji = Energy ; Kimya = Chemistry
Dizin: Enerji depolama sistemi = Energy storage system

Özet:
Süperkapasitörler, pillere göre daha büyük şarj/deşarj hızı, güç yoğunluğu ve uzun döngü ömrüne sahip olması nedeniyle elektrikli araç ve portatif elektronik cihaz gibi uygulamalarda önemlidir. Yük biriktirme mekanizmasına göre elektrik çift tabaka ve psödokapasitörler olmak üzere ikiye ayrılır. Elektrik çift tabaka kapasitörlerinde yük birikme elektrolit/elektrot ara yüzünde yük ayrılması ile gerçekleşirken psödokapasitörlerde buna ek olarak ara yüzde faradaik tepkime gerçekleşmektedir. Bu yüzden psödokapasitörlerin yük biriktirme kapasitesi daha büyüktür. İletken polimerler ve metal oksit/hidroksitler psödokapasitif özellik göstermektedir. Metal hidroksitlerden en çok çalışılan tabakalar arası mesafenin büyük olduğu tabakalı yapıya sahip kobalt hidroksittir. Tabakalar arasındaki mesafenin büyük olması, büyük yüzey alanı ve iyonların kolayca giriş/çıkış yapmasını sağlamaktadır. Ayrıca teorik kapasitansın büyük olması ve performansın sentez yöntemiyle artırılabilmesi, kobalt hidroksitin süperkapasitör elektrot maddesi olarak kullanılma ihtimalini artırmaktadır.Bu çalışmada ? -Co(OH)2, 0.1M Co(NO3)2 sulu çözeltisi kullanarak potansiyostatik olarak -1V (Ag/AgCl referans elektrota karşı) potansiyelde nikel levha üzerine biriktirildi. Biriktirilen ? -Co(OH)2'in yapısı ve morfolojisi X-ışını toz kırınımı (XRD) ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) metotları ile karakterize edildi. XRD verisi ve SEM görüntüsü, ? -Co(OH)2'ın 10 nm kalınlığında ve birkaç yüz nm boyutunda nano yapraklardan oluştuğunu göstermiştir.? -Co(OH)2 elektrotunun kapasitif özelliği, 1M KOH ve 1M KOH+%0.05 Triton X-100 elektroliti kullanarak dönüşümlü voltamoğram ve dönüşümlü kronopotansiyoğram ölçümleri ile incelendi. Galvanostatik şarj/deşarj eğrileri, 1M KOH elektrolitine %0.05 Triton X-100 ilave edildiğinde kapasitansın 720 F g-1'den 804 F g-1'a çıktığını ve 500 şarj/deşarj döngüsünden sonra kapasitans kaybının da %37'den %24'e düştüğünü gösterdi. Bu durum ? -Co(OH)2 elektrotunun kapasitansını artırmak için elektrolite yüzey aktif maddenin ilave edilmesinin önemli olduğunu göstermektedir.Anahtar Kelimeler: kobalt hidroksit; potansiyostatik biriktirme; spesifik kapasitans; süperkapasitör

Abstract:
Supercapacitors have the unique ability to provide fast charging and discharging, higher power and and longer cycle-life than batteries for numerous applications such as power sources in next-generation electrical vehicles and mobile electronic devices. On the bases of charging mechanism, electrochemical capacitors are usually divided into electric double layer capacitors and pseudocapacitors. The mechanism of energy storage in electric double layer capacitors is based on the charges at the interface between an electrode and electrolyte, while in pseudocapacitors, faradaic process occurs in addition to the simple charge separation. Therefore, the charge storage capacity of pseudocapacitors is generally higher than that of electric double layer capacitors. Conducting polymers and metal oxides/ hydroxides are pseudocapacitive active species. Among metal oxides, cobalt hydroxides are the most studied materials due to their layered structure with large interlayer spacing, which promises high surface area as well as a fast ion insertion/deinsertion rate. Moreover, their high theoretical specific capacitances and the possibility of enhanced performance through different preparative methods have further made them very competitive supercapacitor electrode materials.In the present study, ? -Co(OH)2 was prepared by a potentiostatic deposition process at ?1.0V (vs. Ag/AgCl) onto a nickel substrate by using a aqueous solution of 0.1 M Co(NO3)2. The structure and surface morphology of the obtained ? -Co(OH)2 were studied by using X-ray diffraction analysis (XRD) and scanning electron microscopy (SEM). XRD data and the SEM images showed that ? -Co(OH)2 nano-sheets of 10 nm thickness and sizes of several hundred nanometers were obtanied.The capacitive characteristics of the ? -Co(OH)2 electrodes were investigated by means of cyclic voltammetry and constant current charge?discharge cycling in 1 M KOH electrolyte with and without addition of 0.05% Triton X-100. Galvanostatic charge?discharge curves showed that the capacitance was increased from 720 F g-1 to 804 F g-1 and the retention of capacitance from 63% to 76% after 500 charge/decharge cycles by addition of 0.05% Triton X-100 surface active materials to 1M KOH electrolyte solution. This indicates that the surfactant addition is a promising process for increasing capacitance of the ?-Co(OH)2 electrodes.Keywords: Cobalt hydroxide; Potentiostatic deposition; Specific capacitance; Supercapacitor