Kondansatör kavramı uzun zamandır var. İlk olarak Leiden şişesi olarak biliniyordu. Prototipi, hidrolize asit dielektrik içeren bir cam şişedir. Aside batırılmış iletken ve cam şişenin dışına kaplanmış metal folyo iki elektrot görevi görür. Aradaki cam, Şekil 1'de gösterildiği gibi bir dielektrik malzeme olarak kullanılır. Berker, 1757'de bir patent başvurusunda bulunur; bu, birincil hücredeki elektrik enerjisinin, sulu dielektrik gözenekli karbona batırılmış çift hücrede depolanan yük ile depolandığını açıklar. malzeme arayüzü. Elektrokimyasal kondansatör (süperkapasitör olarak da bilinir) nedir? Birincisi, hafniyum oksit film sistemi ve bir karbon çift katmanı tarafından geliştirilen büyük kapasiteli bir kapasitördür (farad kapasitesinin gramı başına). Bu kadar büyük bir şarj kapasitesi nasıl elde edilir? Sonra neler olduğunu öğreneceğiz.
Şekil 1 Leiden şişesinin prensibi ve fiziksel haritası

I. Sınıflandırma ve prensip
Elektrokimyasal kapasitörlerin birkaç önemli özelliği olduğu bilinmektedir: hepsi enerji deposuna bağlı olan yüksek güç yoğunluğu (hızlı şarj ve deşarj, ikinci derece), uzun çevrim ömrü ve nispeten büyük enerji yoğunluğu (lityum iyon pillerden biraz daha az) mekanizması. Enerji depolama prensibine göre, elektrokimyasal kapasitörler genellikle elektrikli çift katmanlı kapasitörlere ve Faraday tantal kapasitörlere ayrılır. Tabii ki, ikisini birlikte karıştırmak da hibrid kapasitör olarak adlandırılır. İlgili enerji depolama mekanizmaları nelerdir ve lityum iyon pillerden nasıl farklıdırlar? Aşağıda, Şekil 2'de gösterildiği gibi, bazı temel enerji depolama prensiplerini ve lityum iyon pillerle olan farkı kısaca anlıyoruz.

Şekil 2 Elektrikli çift katmanlı kapasitör, Faraday tantal kapasitör ve lityum iyon pilin temel bileşimi ve enerji depolama mekanizmasının karşılaştırılması
Elektrikli çift katmanlı bir kapasitörde, yükler elektrolitte pozitif ve negatif iyonları çekerek yüzeye yakın bir bölgede konsantre edilir ve böylece elektrot ile elektrolit arasında enerji depolamak için bir elektrostatik alan oluşturulur. Her iki kutbun da pozitif ve negatif bir yük çifti vardır, bu nedenle buna elektrikli çift katmanlı kapasitör denir. Bu reaksiyon oldukça geri dönüşümlü fiziksel adsorpsiyon, mükemmel döngü stabilitesi (> 100.000 kez) ve şarj ve deşarj oranı son derece hızlıdır, ancak sınırlı şarj nedeniyle enerji yüksek değildir. Faraday tantal kapasitöründe, bir yük, elektrot elektrolitinin arayüzünden geçer ve elektrottaki veya içine gömülü değişken değerlik maddesinin bir yüzeyi, yükün depolanmasını gerçekleştirmek için bir redoks reaksiyonunun elektrolitteki iyonlarla birleşmesine neden olur. Enerji depolama mekanizması, geleneksel elektrikli çift katmanlı enerji deposundan farklıdır. Bu redoks reaksiyonlarının bazıları elektrot yüzeyinde hızlı geri dönüşümlü reaksiyonlar olduğundan ve bazıları belirli bir faz değişikliğine sahip gömülü reaksiyonlar olduğundan, döngü kararlılığı elektrikli çift katmanlı kapasitörünkinden daha kötüdür, ancak depolanan enerji iyileştirilir. Bir lityum iyon pil için, esas olarak şarj ve deşarj sırasında şarj ve deşarj sırasında pozitif ve negatif elektrotların katmanlı yapısına gömülecek ve çıkarılacak elektrolitteki lityum iyonlarına dayanır. Bu mekanizma altında, depolanan enerji çok büyüktür, ancak faz değiştirme işlemi nedeniyle, şarj aktarım hızı yavaştır ve yapı kolayca çöker, bu nedenle döngü performansı yüksek değildir.
2. yapı ve geliştirme
Elektrokimyasal kapasitörün temel yapısı ŞEKİL 2'de gösterilmiştir. Ve esas olarak iki elektrot arasında yalıtılmış bir elektrot, bir elektrolit ve bir ayırıcı içerir. Elektrot malzemeleri ve elektrolitler en önemli iki bileşendir ve elde edilen araştırmalar çok sistematiktir. Aşağıda ana elektrot malzemeleri ve elektrolitlerin araştırma ilerlemesine kısa bir giriş verilmektedir.
Elektrot malzemesi
Elektrot malzemeleri üzerine araştırmalar çok olgunlaştı. Orijinal elektrikli çift katmanlı kapasitörlerin çoğu gözenekli karbon, karbon fiber, karbon nanotüpler ve grafen gibi karbon malzemeler kullandı. Karbon malzeme küçük bir kapasiteye ve düşük bir enerji yoğunluğuna sahip olmasına rağmen, iletken alt tabaka üzerindeki yükü çok yüksek olabilir, bu da onu ticarileştirme alanında yaygın ve derinlemesine uygular. Tabii ki, araştırmacılar son zamanlarda ticari sınıf karbonun performans seviyesini önemli ölçüde artırması beklenen daha yüksek enerji yoğunlukları elde etmek için karbon malzemeleri aktive etmeye başladılar.
Karbon malzemelerin sınırlı kapasitansı ve yetersiz enerji depolaması nedeniyle, tantal kapasitörler yavaş yavaş bir araştırma noktası haline gelmiştir. Araştırılan ana malzemeler arasında metal oksitler, iletken polimerler, metal nitrürler ve daha yakın zamanda sıcak metal karbürlerin incelenmesi yer alır. En çok incelenen en erken, mükemmel elektrokimyasal performansa sahip itriyum oksittir, ancak düşük verimi ve yüksek fiyatı nedeniyle yavaş yavaş dikkat çekmektedir. Birçok metal oksit performans açısından üstündür, ancak elektrokimyasal kapasitörlerin hızlı şarj ve deşarj özelliklerini büyük ölçüde etkileyen zayıf elektrik iletkenliğinin dezavantajına sahiptir. İletken polimerin iletkenliği çoğu metal oksitten daha yüksektir ve performans benzerdir, ancak döngü stabilitesinin zayıf olduğu bir sorun vardır. Metal nitrürler üstün elektrik iletkenliğine ve iyi enerji depolama kapasitesine sahiptir, ancak elektrik iletkenliğini azaltmak için elektrokimyasal döngü sırasında kolayca oksitlenir ve döngü performansı garanti edilmez. Metal karbürler veya karbonitritler ve bunlara karşılık gelen katmanlı malzemeler (Mxene vb.) Son yıllarda araştırmacılar tarafından yoğun ilgi görmüştür ve gelişme potansiyeli yüksektir.
Elektrolit
Elektrokimyasal kapasitörlerin elektrolit sistemi, elektrotların gelişimi ile yavaş yavaş olgunlaşmaktadır. Büyük sınıflandırma açısından, elektrolit esas olarak bir sulu elektrolit ve bir organik elektrolit içerir. Su bazlı elektrolit asit, asit ve nötr içerir ve yüksek iyon iletkenliğine sahiptir, ancak suyun ayrışma voltajı sınırı (1.23 V) ile sınırlıdır ve çalışma voltajı düşüktür. Su bazlı elektrolitler bilimsel araştırmalarda daha çok kullanılır, ancak çok az ticari ürün vardır. Organik elektrolit tipi nispeten büyüktür ve en büyük özelliği, sınır voltajının sulu elektrolitten (2.7-3.7 V) çok daha yüksek olmasıdır. Bu nedenle, yüksek çalışma voltajı, süper kapasitörün enerji yoğunluğunu büyük ölçüde artırmasına yardımcı olabilir. Ticari elektrokimyasal kapasitörlerde, organik elektrolitlerin büyük çoğunluğu kullanılır.
Elektrokimyasal kapasitör yapısının geliştirilmesi
Araştırma çalışmalarının derinleşmesi ve özgüllüğü ile elektrokimyasal kapasitör cihazının şekli de çok gelişti. Ticari olarak temin edilebilen ilk süper kapasitörler, Şekil 3'te gösterildiği gibi, esas olarak yara tipi ve düğme tipindeydi (geleneksel batarya ile aynı yapıda).

Şekil 3 Sargı ve düğme tipi süper kapasitörler
Talebin kademeli olarak artmasıyla birlikte, sert yüzeyler için elektrokimyasal kapasitörlerin uygulama yüzeyinde bazı eksiklikler vardır. Esnek portatif süper kapasitörler bir araştırma merkezi haline gelmiştir. Ana ilerleme, substratın, Şekil 4'te gösterildiği gibi, karbon kumaş, karbon kağıdı, nikel köpük, esnek metal levhalar ve kendi kendini destekleyen CNT'ler, vb. Gibi esnek bir iletken materyal olmasıdır.

Şekil 4 Birkaç esnek süper kapasitör için esnek elektrot malzemeleri
Esnek süperkapasitör, enerji depolama biriminin ve esnek elektrokimyasal kapasitörün ŞEKİL l'de gösterildiği gibi rahat taşınmasını gerçekleştirebilir. 5 elektronik saati aynı anda bir kordonlu saat olarak sürer.

Şekil 5 İki boyutlu esnek süper kapasitörlerin bazı uygulamaları
Ayrıca, giyilebilir cihazlara gelince, iki boyutlu esnek substrat hala herhangi bir dokuma ihtiyacını karşılamak için yetersizdir. Şu anda, bir boyutlu doğrusal süper kapasitörler de geliştirilmiştir. Giysinin etkili dokuması, Şekil 6'nın bazılarında gösterildiği gibi bu doğrusal süper kapasitörler kullanılarak elde edilebilir.

Şekil 6 Tek boyutlu doğrusal süper kapasitörlerin dokuma ekranı
3. gelecek ve beklentiler
Süper kapasitörlerin geleceği nasıl gelişecek? Bir enerji depolama cihazıdır, ancak prensip sınırlaması nedeniyle, depolama kapasitesinin pili aşması zordur (eğer bir süper kapasitörden fazlaysa), pil ile aynı etkiye sahip olmamalıdır, ancak bir batarya. Ana güç kaynağına güçlü bir katkı. Bu durumda, gelişimi doğal olarak talebe bağlıdır. Enerjiyi depolamak için güneş enerjisi veya rüzgar enerjisi kullanıldığında gücü artar; yedek güç kaynağı olarak kullanıldığında, enerji depolaması en üst düzeye çıkarılır. Kısacası, ihtiyaçları takip etmektir.
Yakın gelecekte, elektrokimyasal kapasitörlerin piller gibi günlük hayatta vazgeçilmez bir ürün olacağına ve iyi bir yardımcı olacağına inanıyorum!

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

tr_TRTürkçe