Süperkapasitörler için çok fonksiyonlu elektrot ve elektrolitlerin geliştirilmesi ve özelliklerinin incelenmesi

Abstract

Enerji depolama sistemlerinden biri olan süperkapasitörler, yeni nesil elektrolit ve elektrotların tasarımlarında oldukça ilgi çekmektedir. Elektrolit tasarımı için polimer jel elektrolitler yüksek iyonik iletkenlik, akıllı işlev ve güvenilir olma özellikleriyle süperkapasitörlerde kullanılabilirler. Süperkapasitör elektrot tasarımında ise bağlayıcısız elektrotlar hızlı iyon transferi ve yüksek iletkenlik özellikleri ile öne çıkmaktadır. Bu amaçla tez çalışmasında, akıllı işlev özelliğine sahip kendi kendine iyileştirebilen süperkapasitör elektrolitlerinin geliştirilmesi ve bağlayıcısız süperkapasitör elektrodu üretimi olarak iki ayrı çalışma gerçekleştirilmiştir. Bu kapsamda tez çalışmasının birinci bölümünde, kendi kendine iyileştirme fonksiyonuna sahip PVA matrisi ve soya sosundan oluşan polimer jel elektrolitler sentezlenmiştir. Jel elektrolitin karakterizasyonu FTIR, DSC, TGA, FE-SEM/EDX, BET analizleri ile yapılmıştır. Elektrolitin kendi kendine iyileşme özelliği çekme testi ve elektrokimyasal testlerle değerlendirilmiştir. Geliştirilen jel elektrolit ile aktif karbon elektrodundan oluşan süperkapasitör hücresinde 3 mA/cm2 akım yoğunluğunda 222 mF/cm2 kapasitans ve 65mS/cm iyonik iletkenlik değerleri elde edilmiştir. Elektrolitte meydana gelen tekrarlı kendi kendine iyileşmeden sonra elde edilen kapasitans ve iyonik iletkenlik değerlerinin birbirine çok yakın çıktığı görülmüştür. Elde edilen süperkapasitör 1000 döngü stabilitesinde %88 kararlılık göstermiştir. Tez çalışmasının ikinci bölümünde ise rGO/PANI/MnO2 süperkapasitör aktif malzemesinin nikel köpük üzerinde biriktirilmesiyle bağlayıcısız süperkapasitör elektrodu sentezlenmiştir. rGO/PANI/MnO2 aktif malzemesinden oluşan bağlayıcısız elektrodun karakterizasyonu ise FTIR, FE-SEM ve elektrokimyasal testlerle değerlendirilmiştir. Üretilen bağlayıcısız rGO/PANI/MnO2 elektrodunun 0,5 A/g’da 315 F/g kapasitans değerine sahip olduğu ve 1000 döngü sonunda %84,5 oranında kapasitesini koruduğu gözlenmiştir. Geliştirilen yeni nesil elektrolit ve elektrotların yenilenebilir enerji sistemleri, e-mobilite teknolojileri, giyilebilir enerji depolama teknolojileri ve taşınabilir elektronik cihaz teknolojileri gibi birçok alanda kullanım potansiyeli bulunmaktadır.Supercapacitors, one of the energy storage systems, are attracting considerable interest in the design of new-generation electrolytes and electrodes. For electrolyte design, polymer gel electrolytes can be used in supercapacitors due to their high ionic conductivity, smart functionality, and reliability. In supercapacitor electrode design, binder-free electrodes stand out with their fast ion transfer and high conductivity properties. To this end, two separate studies were conducted in the thesis: the development of self-healing supercapacitor electrolytes with smart functionality and the production of binder-free supercapacitor electrodes. In this context, in the first part of the thesis, polymer gel electrolytes consisting of a PVA matrix and soy sauce with a self-healing function were synthesized. The characterization of the gel electrolyte was performed using FTIR, DSC, TGA, FE-SEM/EDX, and BET analyses. The self-healing property of the electrolyte was evaluated by tensile testing and electrochemical testing. A supercapacitor cell consisting of the developed gel electrolyte and an activated carbon electrode yielded a capacitance of 222 mF/cm² and an ionic conductivity of 65 mS/cm at a current density of 3 mA/cm². It was observed that the capacitance and ionic conductivity values obtained after repeated self-healing of the electrolyte were very close to each other. The supercapacitor achieved 88% stability over 1000 cycles. In the second section of the thesis, a binder-free supercapacitor electrode was synthesized by depositing the rGO/PANI/MnO2 supercapacitor active material onto nickel foam. The characterization of the binder-free electrode composed of the rGO/PANI/MnO2 active material was evaluated using FTIR, FE-SEM, and electrochemical tests. The produced binder-free rGO/PANI/MnO2 electrode was observed to have a capacitance value of 315 F/g at 0,5 A/g and retained 84,5% of its capacity after 1000 cycles. The developed new-generation electrolytes and electrodes have potential applications in many areas, including renewable energy systems, e-mobility technologies, wearable energy storage technologies, and portable electronic device technologies.