SÜPER KAPASİTÖRLER Malzeme Bilimi ve Mühendisliğinde Özel Konular Ondokuz Mayıs Üniversitesi Malzeme Bilimi ve Mühendisliği FURKAN AFYON

İÇİNDEKİLER KAPASİTÖR: GİRİŞ KAPASİTÖRLERİN TARİHÇESİ SÜPER KAPASİTOR:- SÜPER KAPASİTÖR TÜRLERİ FARKLI TİPTEKİ SÜPER KAPASİTÖRLER TEMEL TASARIM TEKNOLOJİK KULLANIM ALANLARI NEDEN BU MADDELER KULLANILIR? PİLLER VE SÜPER KAPASİTÖRLERİN KARŞILAŞTIRILMASI UYGULAMALARI HİBRİD ELEKTRİKLİ ARAÇLAR BATARYALAR VE GÜÇ KAYNAKLARI TARİH OLUCAK AVANTAJLARI DEZAVANTAJLARI KARAKTERİZASYON TEKNİKLERİ 1,0 M H2SO4 ELEKTROLİTİ İÇİNDE DEĞİŞİK TARAMA HIZLARINDAKİ VOLTAMOGRAM EĞRİLERİ KAĞIT TABANLI SÜPER KAPASİTÖRLER NEDEN KAĞIT TABANLI SÜPER KAPASİTÖRLER? KAĞITTAN KAPASİTÖRLER AMBRİ LİQUİD METAL PİL ŞİRKETİ BEN NE YAPABİLİRİM? SONUÇ REFERANSLAR

GİRİŞ KAPASİTÖR: Kapasitör (kondansatör olarakta bilinir.) , elektrik alanında enerji depolamak için kullanılan pasif iki uçlu elektrik bileşenidir. Çok daha fazla şarj edilebilir, pillere göre daha fazla yükleme boşaltma yapılabilir. Devrelerin parazitlerin giderilmesinde, akım ve gerilim arasında faz farkının oluşmasında etkilidirler.

KAPASİTÖRLERİN TARİHÇESİ Kapasitör , 1745 yılında, elektrik yükünü depolama çalışmaları yapan Hollandalı fizikçi Pieter van Musschenbroek tarafından icat edilmiştir. İlk kapasitör, iç ve dış kısmı metal folyo ile kaplı, ipek yalıtkan iplerle asılmış, içi su dolu Leyden şişesidir. Kapasite birimi olarak , ilk zamanlarda jar (şişe) kullanılmıştır. 1 jar yaklaşık olarak 1 nanoFarad'a eşittir.

SÜPER KAPASİTOR:- Bir süperkapasitör, diğer kapasitörler ile karşılaştırıldığında alışılmadık yüksek enerji yoğunluğuna sahiptir. Super kapasitörler, Elektrik Çift Katmanlı Kapasitör (EDLC) ya da Ultra kapasitör olarak bilinir. Kapasitans aralığı, 100 Farad 10000 Farad arasındadır.

SÜPER KAPASİTÖR TÜRLERİ Çift katmanlı kapasitörler (EDLCs) – kapasitörlerde karbon veya karbon bazlı elektrotlar kullanılarak statik elektrik enerji depolaması yapılmaktadır. Pseudocapacitors – elektrot olarak metal oksitler ve iletken polimerler kullanılır. Hibrid kapasitörler bu kapasitörlerde elektrotlar hem çift tabaka kapasitans hem de pseudokapasitans özelliği gösterirler.

FARKLI TİPTEKİ SÜPER KAPASİTÖRLER Mobil bileşenler için kullanılan düz stil PCB için tipik düğme kondansatör bellek yedekleme için kullanılan montaj

TEMEL TASARIM Süper kapasitörler, elektroliti içine daldırılmış iki elektrot arasında oluşur ve gözenekli dielektrik ayırıcı iki elektrot kısa devreyi önler. Elektrotlar arasında oluşturulan çift tabaka, karşıt elektrot yüzeyinde elektrostatik yüklere enerjiyi depolar.

TEKNOLOJİK KULLANIM ALANLARI Karbon nano tüplerinde, süper kapasitörlerin plakaları veya elektrotları kullanılır. Sodyum perklorat (NaClO4) veya lityum perklorat (LiClO4), elektrolitlerinde kullanılır. Poliakrilonitril’de(C3H3N)n ayırıcı olarak kullanılır.

NEDEN BU MADDELER KULLANILIR? Elektrotlar:   1) Karbon nanotüplerin yüksek iletkenlik, kondansatör performansını , artırmak. 2) Çok gözenekler. Elektrolitler: 1) Geniş çalışma sıcaklığı (-900c ile 4000c). 2) Yanıcı, düşük toksik ve non-korozif. Ayırıcı: 1) Elektrik iletkenliği. (1.5x104 S / m) 2) Kolayca bozulmuş değil.

PİLLER VE SÜPER KAPASİTÖRLERİN KARŞILAŞTIRILMASI Yüksek güç yoğunluğu Çok daha hızlı şarj ve deşarj oranı Çevre dostu Son derece düşük iç direnç veya ESR Yüksek verim (% 97-98) bir milyondan fazla şarj-deşarj döngüsü Piller : Yüksek enerji yoğunluğuna sahip Tipik 200-1000 şarj-deşarj yüksek reaktif ve tehlikeli kimyasallar içerir. Düşük sıcaklıklarda olumsuz etkilenir.

UYGULAMALARI Otomobiller için çalışma mekanizması. Süper kapasitörler için uygun geçici enerji depolama aygıtları vardır. Süper kapasitörler , düşük güç ekipman yedeği ya da acil kapatma gücü sağlar. Bu endüstriyel lazerler ve tıbbi malzemelerde kullanılır. Büyük süper kapasitörlerin , rüzgar türbinleri kullanılmaktadır.

HİBRİD ELEKTRİKLİ ARAÇLAR Avusturalya [Ulusal Bilim Acente]CSIRO tek bir birimde bir süperkapasitör ve kurşun asit batarya birleştirirek ultrapil geliştirdi. 4x daha uzun yaşam döngüsü, %50 daha fazla güç, kullanılan pillere göre %70 daha ucuz.

BATARYALAR VE GÜÇ KAYNAKLARI TARİH OLUCAK Yeni kapasitörler gri bir yonga plakasına benziyor , silikon elektrotlar iç yüzeylerindeki nano boyuttaki porlar kimyasallarla işlenerek oluşturuluyor. Süper kapasitörlerde enerji yüzeydeki elektriksel olarak yüklenmiş iyonların porlu gözeneklerinde depolanıyor. 

SÜPER KAPASİTÖLERİN AVANTAJLARI Sınırsız; elektrokimyasal pil ile karşılaştırıldığında, aşınmaz veya ömrü bitmez. Şarj süresi çok düşüktür. Düşük empedans; bir pille paralel yoluyla, bu darbe akımını artırır. Etkili depolama maliyeti; çok yüksek devir sayısı düşük yoğunluğa dengeler.

SÜPER KAPASİTÖLERİN DEZAVANTAJLARI Birim ağırlık başına saklanan enerji miktarı bir elektro-kimyasal pilin önemli ölçüde daha düşüktür. Ayrıca, benzin sadece yaklaşık 1 / 10.000 inci hacimsel enerji yoğunluğudur. Gerilim depolanan enerji ile değişir. etkin bir şekilde saklamak ve enerji kurtarmak için gelişmiş elektronik kontrol ve anahtarlama ekipman gerektirir. Kapasitörlerin her türlü yüksek dielektrik emilimi vardır. Elektrokimyasal piller ile karşılaştırıldığında yüksek deşarj olma.

KARAKTERİZASYON TEKNİKLERİ Batscap ve Maxwell ve kapasitesi 650 F, bilgi formuna göre 1200F, 3000F, anma gerilimi 2.7 V bir hücredir. Gerilim süperkapasitör ile bağlantılıdır.Teknoloji ve bu gerilim seviyesi süper kapasitörlerin ve elektrolit olarak organik bir sıvı (asetonitril) karakterizasyonun ilk amacı deneysel sonuçlar ile karşılaştırmaktır. Karakterizasyonun ikinci amacı, tanımlamak ve anlamak için farklı çevre düzgün elektriksel davranış koşullardır.(voltaj, sıcaklık, sıklık).Performans çalışma koşulları ile değiştirilebilir.

1,0 M H2SO4 ELEKTROLİTİ İÇİNDE DEĞİŞİK TARAMA HIZLARINDAKİ VOLTAMOGRAM EĞRİLERİ

KAĞIT TABANLI SÜPER KAPASİTÖRLER Kağıt bazlı süper kapasitörler ile sıradan süper kapasitörlerin tasarımı benzerdir. Kağıt kısa devreleri önleyerek, elektrotlar arasında ayırıcı olarak hizmet vermektedir. Bir güç kaynağı ve bir yüke cihazı bağlamak için elektrotlar metal levhalara veya folyolara bağlanır. Süper kapasitörler, entegre edilmiş elektrotlar ve levha elektrotları kullanılarak yapılabilir.

NEDEN KAĞIT TABANLI SÜPER KAPASİTÖRLER? Kağıdın maliyeti ucuz. Üretimi kolaydır. Basit malzeme incelemesi kolaydır. Hafif ve tehlikeli metaller içermiyor.

KAĞITTAN KAPASİTÖRLER İsveç Linköping Üniversitesi’nde “güç kâğıdı” adı verilen ve dikkate değer oranda elektrik depolayabilen ince kâğıt benzeri bir malzeme üretildi. Malzeme; nano-selüloz ve iletken polimer içeriyor.

AMBRİ LİQUİD METAL PİL ŞİRKETİ Ambri sıvı metalin iki tabaka arasına sıkıştırılmış, erimiş tuzu kullanılarak elektrik şebekesi için bir pil geliştirmektedir.  Ambri baz ünitesinin çözümün temel birim sıvı metal pil hücresi olduğunu bulmuştu.Hücreler buzdolabı büyüklüğünde modüllere yerleştirilir ve modüller 500 kW ve 2 MWh depolama kapasitesi anma 40-ft nakliye konteynerine yerleştirildi.

BEN NE YAPABİLİRİM? Kağıda karbürleme yaparak kağıttaki karbon oranını arttırabilirim. Pil şarj ettikçe zamanla ömrü azalır.Kağıttan süper kapasitörde ise bunu minimuma indirebilirim. Süper kapasitörü , akülere, telefonlara ,bilgisayarlara… entegre edebilirim. Süper kapasitörün kağıttan olması sebebiyle ısınma sorununu minimuma indirebilirim. Kağıttan süper kapasitör ile deşarj sorununu çözebilirim.

SONUÇ Yüksek güç ya da enerji depolama güç depolama için pilleri değiştirmek gerekli olduğundan, bunun yerine süper kapasitörler kullanılıyor. Süper kapasitörler, uzun ömürlü ve kısa şarj süresine sahip, yaygın olarak kullanılabilir. Öte yandan yüksek maliyet nedeniyle, sınırlamalar, kendini deşarj etme, paketleme sorunları vb. vardır.

REFERANSLAR https://tez.yok.gov.tr/UlusalTezMerkezi/ https://www.scopus.com/home.uri http://ulusaltezmerkezi.com/ https://books.google.com.tr/ http://www.slideshare.net/ http://www.gercekbilim.com/ http://www.ambri.com/ https://tr.wikipedia.org/wiki/Vikipedi http://www.enerjihaber.com/