Design and characterization of supercapacitors obtained by combining sandwich and interdigitated structures
Sandviç ve tarak yapılar kullanılarak birleşik yapıda süperkapasitörlerin tasarlanması ve karakterizasyonu
- Tez No: 953004
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ALİ GELİR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Fizik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 73
Özet
Günümüzde, gelişen ve nüfusu artan dünyanın yaşam standartlarını geliştirmek için sürdürülebilir teknolojilere ihtiyaç duyulmaktadır. Birçok teknoloji ve uygulama büyük oranlarda enerjiyi depolayabilen sistemlere ihtiyaç duyar. Araştırmacılar, birçok enerji depolama teknolojisi arasında hızlı şarj ve deşarj, daha iyi güç yoğunluğu, esneklik ve çevre dostu olma gibi benzersiz özellikleri nedeniyle süper kapasitörlere (SC) yönelmişlerdir. Süperkapasitör, bataryalar ve normal kapasitörler arasındaki boşluğu enerji ve güç yoğunlukları açısından kapatabilme potansiyeline sahiptir. Enerjiyi kimyasal bir yöntemden ziyade fiziksel bir mekanizma ile depoladıkları için, süperkapasitörlerin kullanımı son derece güvenlidir ve son derece uzun bir yaşam döngüsüne sahiptir. Karşılaşılan en büyük zorluk enerji yoğunluğunun henüz bataryalardan daha düşük olmasıdır. Bugüne kadarki araştırmaların önemli bir kısmı süperkapasitörlerin performanslarını iyileştirmeye odaklanmıştır. Performansı etkileyen temel faktörler tasarım, üretim süreçleri ve kullanılan malzemelerdir. Süperkapasitörlerin konfigürasyonu tipik olarak sandviç ve tarak yapılar şeklindedir ve kendilerine özgün avantajları/dezavantajları vardır. Performansı etkileyen çok sayıda parametre bulunmakla birlikte sandviç yapıdaki süperkapasitörler uzun iyon yolu nedeniyle tarak yapılara göre daha düşük bir güç yoğunluğuna sahiptir. Öte yandan, tarak yapılar sandviç yapılara kıyasla daha küçük yüzey alanlarına sahiptirler bu daha düşük enerji yoğunluğuna sebep olur. Bu çalışmada, süper kapasitörlerin performansını artırmak için yeni bir yapı tasarımı ortaya konulmuştur. Çalışmada incelenen tüm yapılar ve bu yapılara yönelik tasarımlar karakterize edilmiştir. Yüksek iletkenlikleri ve mükemmel elektriksel performansları nedeniyle PEDOT: PSS ve PANI gibi iletken polimer malzemeler elektrot olarak kullanılmış, elektrolit olarak PVA tabanlı jel yapılar tercih edilmiştir. Döngüsel voltametri (CV), galvanostatik şarj deşarj (GCD) ve elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) yöntemleri kullanılarak süperkapasitörler karakterize edilmiş ve sonuçlar ayrıntılı olarak analiz edilmiştir. Tarak yapıdaki süperkapasitörlerin elde edilmesi için elektrot yüzeylerinde desenlerin oluşturulması lazer aşındırma yöntemiyle gerçekleştirilmiştir. Bu amaçla 15 Watt gücünde 450 nm dalgaboyundaki diyot lazer kullanılmıştır. Desenlerin hassas bir şekilde işlenebilmesi için lazer bir plotter üzerine monte edilmiş ve bir yazılım vasıtasıyla desenler otomatik olarak işlenmiştir. Çalışma iki aşamada gerçekleştirilmiştir. İlk aşamada, tarak yapının deseni lazerle aşındırma yöntemi ile belirli desenlerde ve farklı mesafelerde oluşturulmuştur. Bu çalışmada elektrot malzemesi olarak PEDOT: PSS ve Grafit kullanılmıştır. Nihai elektrotun elde edilmesi öncesinde grafit oranının iletkenliğe etkisi araştırılmıştır. Bu amaçla grafitin ağırlıkça yüzde miktarı değiştirilerek değişik örnekler hazırlanmış ve iletkenlik ölçümleri sonrasında optimum grafit oranı belirlenmiştir. Çalışmanın devamında elektrotlar bu optimum grafit içerecek şekilde tasarlanmıştır. Elektrotların PEDOT: PSS/Grafit kompozit malzemesiyle kaplanması öncesi bu malzemeler dimetilsülfoksit ilavesiyle viskoz bir hale getirilmiştir. Viskoz yapıdaki bu xxv malzeme cam altlık üzerine sürülerek kaplanmış ve kurutulmuştur. Kaplama öncesi cam altlıklar üzerinde gümüş boya ile akım toplayıcı terminaller oluşturulmuştur. Kaplama yöntemiyle elektrotlar elde edildikten sonra lazerle aşındırma yöntemiyle elektrot üzerinde çeşitli desenler çizilmiştir. Tarak yapıdaki elektrot üzerine 6M KOH çözeltisi içeren PVA tabanlı jel elektrolit kaplanarak süperkapasitör oluşturulmuştur. Süperkapasitör hazırlandıktan sonra CV ve GCD ölçümleri yapılarak yapı analiz edilmiştir. Desenler kare ve üçgen şekillerde hazırlanmış olup desenin süperkapasitör performansına etkisi anlaşılmaya çalışılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre Üçgen şeklindeki desenin daha yüksek performansa sahip olduğu gözlemlenmiştir. Bunun sebebi Üçgen desendeki yüzey alanının daha büyük olması ve daha fazla yükün arakesitte depolanıyor olmasıdır. İkinci aşamada, birleşik yapı olarak adlandırılan hem tarak hem de sandviç yapının bir araya getirildiği süperkapasitör tasarımı çalışılmıştır. Bu süperkapasitörde, iki elektrot kullanılmış ve her bir elektrot tarak şeklinde tasarlandıktan sonra sandviç haline getirilmiştir. Bu şekilde hem tarak hem de sandviç şeklindeki süperkapasitörlerin avantajlarının birleştirilmesi amaçlanmıştır. Bu tasarımda ilk olarak, Polianilin (PANİ) sentezlenmiştir ve elektrot malzemesi olarak kullanılmıştır. PANİ sentezi öncelikle monomer halindeki anilin H2 SO 4 içinde çözülmüş ve ayrı olarak hazırlanan amonyum persülfat (APS) çözeltisi bu çözelti içine yavaş yavaş katılmıştır. Sonrasında filtreden geçirilerek katı PANİ elde edilmiştir. Elektrot olarak gümüş bir altlık üzerine PANİ sürülerek elde edilen yapılar kullanılmıştır. Öncesinde PANİ dimetilsülfoksit içinde çözülmüş ve içinde iletkenliği arttırmak için graphene katılmıştır. Oldukça vizkoz bir formda elde edilen bu malzeme gümüş altlık üzerinde sürülerek kaplama gerçekleştirilmiştir. Kaplanan elektrotlar kurutularak son hali verilmiştir. Kaplama işlemi sonrasında lazer dağlama yöntemiyle elektrot yüzeylerinde dikdörtgen desenler oluşturulmuş ve elektrotlar tarak yapıdaki süperkapasitör tasarımı için hazır hale getirilmiştir. Hazırlanan elektrotların aralarına 6M KOH içeren PVA jel elektroliti konularak kapatılmış böylece hem tarak hem de sandviç yapıya sahip süperkapasitör elde edilmiştir. Yapılan analizler sonucunda birleşik yapıdaki süperkapasitörün kapasitans değerlerinin sandviç ve tarak yapıdaki süperkapasitörlere göre daha yüksek olduğu gözlemlenmiştir. Bunun en önemli sebebi bu yapıda yüklerin hem yüzeyde hem de tarak yapının ara kesitinde toplanıyor olmasıdır. Bu yapıda bu iki ara kesitte daha fazla yük depolanabilmekte ve kapasitans değerleri artmaktadır. Çalışma voltaj aralığı -0.4 V +0.4 V olarak tespit edilmiştir. Kapasitans değerlerinin yanında enerji v egüç yoğunlukları da diğer yapılara göre pozitif yönde etkilenmiştir. Süperkapasitörler için önemli bir problem olan kendiliğinden deşarj özelliği ile ilgili ölçümlerde gerçekleştirilmiştir. Kendiliğinden deşarj, tamamen şarj olmuş bir süperkapasitörün açık devre modundayken enerjisinin azalmasıdır. Bu çalışmada birleşik yapıdaki süperkapasitörün kendiliğinden deşarj miktarının diğer süperkapasitörlere göre daha az olduğu gözlemlenmiştir. Bu durumun, yüklerin hem tarak yapı arakesiti hem de sandviç arakesitinde daha kararlı bir şekilde depolanmasından kaynaklandığı düşünülmektedir. Çalışmanın sonucunda, birleşik süperkapasitör yapısının performansı ile diğer süperkapasitörlerin performansları arasında bir mukayese yapılmış ve farkları analiz edilmiştir. Bu analizler, birleşik yapıdaki süperkapasitörün, diğer süperkapasitörlere göre daha verimli olduğunu açıkça ortaya koymaktadır.
Özet (Çeviri)
The world today faces enormous issues linked to energy, savings, and energy management in order to enhance and extend the standard of life for a growing population and to do so while utilizing sustainable technology. Many technologies and applications need energy storage systems that can store and release large amounts of energy. Researchers are interested in supercapacitors (SCs) because of their unique characteristics, such as quick charging and discharging, better power density, flexibility, and environmental friendliness. The supercapacitor can bridge the gap between batteries and regular capacitors in terms of energy storage and power bursts, despite its lower energy density than projected. Because they store energy via a physical mechanism rather than a chemical method, SCs are extremely safe to use and have an extremely extended life cycle. The biggest challenge for SCs is to increase their specific energy density while maintaining their high specific power density, in other words, to improve the electrochemical performance of SCs. To date, a significant amount of research has been focused on improving the performance of SCs. The key factors influencing the performance of SCs are design and manufacturing processes together with materials. The configuration of SCs typically includes sandwich structures and interdigitated structures. All of the structures have their own advantages and disadvantages. There are lots of parameters that influence the performance of each configuration. The sandwich structure has a lower power density than the interdigitated structure because of its long ion path. On the other hand, interdigitated structures have low energy density due to their small surface area compared to sandwich structures. This thesis focuses on developing novel designs and structures to improve the performance of SCs in this area. The materials used here are conductive polymers like PEDOT: PSS, and PANI because of their high conductivity and excellent electrical performance. All of the designs and structures were characterized by cyclic voltammetry (CV), Galvanostatic charge-discharge (GCD), and Electrochemical impedance spectroscopy (EIS), and the results were discussed in detail. The studies can be divided into two experimental parts. In the first part, the pattern of the interdigitated structure was modified with the laser etching method, and different patterns were etched at different distances. In this study, PEDOT: PSS and Graphite were used as electrode materials. Next, different patterns were analyzed in solution electrolyte (6 M KOH), and the CV curve and GCD curve of the desired patterns were analyzed in detail. In the second part, to overcome the limitations of each structure that was mentioned above and use the advantages of each of them, a new structure named a Combination (COM) structure was designed and manufactured. The new structure consists of two interdigitated patterned electrodes that are stacked to each other. xxiii First, Polyaniline (PANI) was synthesized and modified to be an electrode material. Next, the new structure was designed and coated with electrode material, and PVA/KOH gel electrolyte was used here as the electrolyte of the cell. After that, the CV, GCD, and EIS curves of the new structure were measured and analyzed in detail. And this study provides a comparison between the new structure's performance with other structures of SCs. The new structure shows enhancement in a manner over other structures. The new structure enhances the amount of current, self-leakage, and capacitance of SCs In summary, the studies presented in this thesis developed and analyzed various patterns on in plane SCs by using the laser etching method. It demonstrates the manufacturing setup and effects of the pattern on the performance of SCs. After that, new structures named“combined structures”(COM) were designed and manufactured. It is named“combined”because it combines the advantages and disadvantages of other conventional structures and uses both the charge transfer mechanisms of sandwich and interdigitated type SCs. The new structure enhances the performance of SCs and reduces the internal resistance or self-leakage compared to other structures.
Benzer Tezler
- Syntheses, characterizations, and device fabrications of organic molecules for energy storage devices
Enerji depolama cihazlarında kullanılmak üzere organik moleküllerin sentezi, karakterizasyonu ve cihaz uygulamaları
SEBAHAT TOPAL
- Karbon-silisyum ve karbon-azot hibrit yapılarının sentezi ve süperkapasitör uygulamaları
Synthesis and supercapacitor applications of carbon-silicon and carbon-nitrogen hybrid structures
ERTUĞRUL CEYRAN
- Renewable carbon from lignin biomass and its electrode and catalyst applications in batteries, supercapacitors, and fuel cells
Lignin biyokütlesinden yenilenebilir karbon ve pillerde, süper kapasitörlerde ve yakıt hücrelerinde elektrot ve katalizör uygulamaları
MÜSLÜM DEMİR
Doktora
İngilizce
2017
EnerjiVirginia Commonwealth UniversityKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. RAM B. GUPTA
- Farklı asitlerle katkılanmış polianilinin sentezi, karakterizasyonu ve süperkapasitör uygulaması
Synthesis, characterization and supercapacitor application of polyaniline doped with different acids
MERVE METİN ÇELENK
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FATMA SENİHA GÜNER
DR. YURDANUR TÜRKER
- Preparation of biocompatible composite 3d architectures based on graphene oxide (GO) and chitosan for flexible all solid state supercapacitors
Esnek tüm katı hal süper kapasitörler için grafen oksit (GO) ve kitosan bazlı biyouyumlu kompozit 3d mimarilerin hazırlanması
SAEIDEH ALIPOORILEMEESLAM
Doktora
İngilizce
2024
Polimer Bilim ve TeknolojisiHacettepe ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MURAT BARSBAY