Ankara Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Kimya Mühendisliği SÜPERKAPASİTÖRLER

Transkript

1 Ankara Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Kimya Mühendisliği ÜPERKAPAİTÖRLER A. emih Yurttaş Ezgi Yıldız Damla Tuna Ece Yaralı KYM 442 Kimyasal Teknolojiler unumu Mayıs 2015

2 İçerik 1. Enerji Depolama Yöntemleri 2. üperkapasitörler 1. Elektrolitler 2. Yüzey Ayrıcılar 3. Özellikleri 4. Avantajları ve Dezavantajları 3. üperkapasitör Tipleri 1. Geleneksel Kapasitörler 2. Elektrostatik Çift Tabaka Kapasitörler (EDLC) 3. Pseudo Kapasitör 4. Asimetrik üperkapasitörler 4. Kullanım Alanları 5. Değerlendirme 6. Kaynaklar 2

3 1. Enerji Depolama Yöntemleri Artan nüfus ve sanayileşmeden kaynaklanan enerji ihtiyacı ülkemizin kısıtlı kaynaklarıyla karşılanamamakta, enerji üretimi ve tüketimi arasındaki fark hızla büyümektedir. Mevcut enerji kaynaklarımızdan daha etkili bir biçimde yararlanmak giderek artan bir önem kazanmaktadır. Yenilenebilir enerji kaynaklarından elde edilen enerjinin verimli bir şekilde depolanması gerekmektedir [1]. [1] Kozak M., Kozak Ş., Enerji Depolama Yöntemleri, Baskı 4, Kasım,

4 1. Enerji Depolama Yöntemleri 4 [2] Çalıker A., Özdemir E., Modern Enerji Depolama istemleri ve Kullanım Alanları, Kocaeli

5 2. üperkapasitörler üperkapasitörler yeniden şarj edilebilir pillere benzer şekilde enerji depolayabilen düzeneklerdir [3]. [3] w3.gazi.edu.tr/~balbasi/tezkonulari.pdf 5

6 2. üperkapasitörler üper kapasitörler temel olarak, elektrik enerjisinin depolandığı elektro-kimyasal çift katmanlı bir yapı üzerinde çok sayıdaki yüzeysel elektrotlardan ve bir ayırıcı yüzeyden oluşmaktadır. Ayırıcı yüzey elektrotlar arasında teması fiziksel olarak engellemekte, fakat iyon geçisine izin vermektedir [2]. Şekil 1. üperkapasitör [2]. [2] Çalıker A., Özdemir E., Modern Enerji Depolama istemleri ve Kullanım Alanları, Kocaeli 6

7 2.1. Elektrolitler Eloktrolitler süperkapasitörlerin performansında anahtar rol oynarlar. Hücrenin kullanılabilir voltaj aralığı ve direncini elektrolitler belirler. Aqua Elektrolitler: H 2 O 4, KOH, KCl. (Araştırma Evresinde) Kolay kullanım Çevre dostu Düşük iyonik direnç Elektrotlar üzerinde korozif etki Organik Elektrolitler: Asetonitril, Poliproplen Karbonat. İyonik ıvılar: Erimiş iyonik maddeler. Toksik degil Parlamaz-Patlamaz Geniş voltaj aralığı Termal, kimyasal kararlı. 7

8 2.2. Ayırıcı Yüzey Yalıtkan yüzey süperkapasitör performansını doğrudan etkiler. İyi tasarlanmamış bir yalıtkan yüzey fazladan bir direnç getirir. İyi tasarım ne gerektirir: Elektrik iletkenliği olmamalı Elektrolit iyonlarına minimum direnç sağlamalı Elektrolite ve elektrota karşı kimyasal dayanımı olmalı Hacim değişimine ve basınca karşı mekanik dayanımı olmalı 8

9 2. üperkapasitörler Kapasitörlerin kapasitesi ve dielektrik malzeme arasında lineer bir bağlantı vardır. Bu yüzden büyük kapasite gerekli olduğunda zorunlu olarak dielektrik malzeme de büyük olmak durumunda olmalıdır. üperkasitörler, gayet küçük boyutlardaki kapasitörlerle yüksek enerji depolamaya olanak sağlanmaktadır [1]. Şekil 2. üperkapasitör [4] [1] Kozak M., Kozak Ş., Enerji Depolama Yöntemleri, Baskı 4, Kasım, 2012 [4] 9

10 2. üperkapasitörler üperkapasitörler güç ve enerji yoğunlukları açısından batarya ve kapasitörler arasında köprü görevi görmektedir. Şekil 3. Enerji depolama ve dönüştürme cihazları [5] [5] Kim, Brian Kihun, et al. "Electrochemical upercapacitors for Energy torage and Conversion." Handbook of Clean Energy ystems. 10

11 2. üperkapasitörler Lityum iyon pili Asimetrik kapasitörler imetrik kapasitörler Enerji Yoğunluğu (Wh/kg) Güç Yoğunluğu (kw/kg) Şekil 4. üperkapasitörlerin güç ve enerji yoğunlukları bakımından karşılaştırılması [6]. [6] Li X., Wei B., upercapacitors based on nanostructured carbon, UA,

12 2. üperkapasitörler Bu üç önemli depolama aracına baktığımızda; Lityum iyon pilleri, en yüksek enerji yoğunluğuna sahiptir ancak güç yoğunluğu düşüktür ve kısa döngü ömrüne sahiptir, imetrik kapasitörler ise yüksek güç yoğunluğuna, orta düzey enerji yoğunluğuna ve yüksek döngü kararlılığına sahiptir, Asimetrik süperkapasitörler ise bu iki cihazın sahip olduğu enerji ve güç yoğunlukları arasında değerlere sahiptir [6]. [6] Li X., Wei B., upercapacitors based on nanostructured carbon, UA,

13 2.3. üperkapasitörlerin Özelikleri Uzun işletim ömrü, Esnek gerilim düzeyi, Yüksek akım gücü, Çok hızlı depolama yapmaları, Çok hızlı enerji boşaltmaları [7]. [7] 13

14 2.4. üperkapasitörlerin Avantaj ve Dezavantajları Avantajları Dezavantajları 14

15 2.4. üperkapasitörlerin Avantaj ve Dezavantajları Çevre dostu bir teknolojidir. Maliyetleri yüksektir. Çalışma prensipleri nedeniyle bünyelerinde kimyasal bir reaksiyon oluşmadığı için bataryalarda olduğu gibi toksinler, ağır metaller gibi tehlikeli atıklar üretmezler. Düşük enerji yoğunluklarına sahip olmaları ve self- deşarj oranlarının kötü olması nedeniyle uzun süreli depolama yapamazlar. Bakım masrafları düşüktür. Bekleme anındaki kayıpları 0,2% nin de altındadır. oğutmaya gerek duymazlar. Enerji depolama/kullanma çevrimleri basittir, kompleks güç elektroniği sistemlerine gerek duymazlar [8]. [8] 15

16 3. üperkapasitör Tipleri 20. yüzyılın ortalarında çift katmanlı kapasitörler yüksek şarj kapasiteleri sebebiyle araştırmacıların bu konudaki büyük ilgi odağıydı. Ancak günden güne elektronikteki, mobil teknolojilerdeki ve hibrit araçlardaki gelişmeler araştırmacıları farklı kapasitörler geliştirmeye zorlamıştır. 16

17 3. üperkapasitör Tipleri 17

18 3.1. Geleneksel Kapasitörler Geleneksel kapasitörler genel anlamda; elektrostatik olarak enerji depolayan KONDANATÖRLERDİR. C= A*ε / d C: kapasitans A: elektrot yüzey alanı ε : yalıtkan maddenin dielektrik katsayısı d: elektrotlar arasındaki uzaklık Geleneksel kapasitörler, piko- ve mikro- farad aralığında enerji depolayabilirler [5]. Şekil 5. Geleneksel kapasitörlerin şematik gösterimi [5] [5] Kim, Brian Kihun, et al. "Electrochemical upercapacitors for Energy torage and Conversion." Handbook of Clean Energy ystems. 18

19 3.2. Çift Katmanlı Kapasitörler (EDLC) Çalışma mekanizmaları geleneksel kapasitörlerle tamamen aynıdır. EDLC de geleneksel kapasitörlere göre elektrotlar arasındaki uzaklık (d) çok az, ancak elektrot yüzey alanları (A) kat kat daha büyüktür bu durum da kapasitansın geleneksel kapasitörlere göre daha fazla olmasını sağlar [5]. Şekil 6. Çift katmanlı kapasitörlerin çalışma prensibi [5] [5] Kim, Brian Kihun, et al. "Electrochemical upercapacitors for Energy torage and Conversion." Handbook of Clean Energy ystems. 19

20 3.2. Çift Katmanlı Kapasitörler (EDLC) EDLC Elektrot malzemeleri; Aktif karbon: Elektrotta yüksek yüzey alanı, termal dayanım ve kimyasal direnç sağlar. ( farad/gram) Karbon nanotüp (CNT): Elektrota mekanik dayanım, mükemmel elektron dağılımı, mükemmel elektrik iletkenliği sağlar. ( farad/gram) a) Grafen: Yüksek ısıl elektrik iletkenliği, mekanik dayanımı kimyasal kararlılık ve büyük yüzey alanı sağlar. Bu özellikleriyle grafen süperkapasitörler için muhteşem avantajlar sunar [5]. ( farad/gram) b) Şekil 7. a) 2D grafen yapısı, 1D CNT, 3D grafit. b) grafen-cnt elektrot [5]. (318 farad/gram) [5] Kim, Brian Kihun, et al. "Electrochemical upercapacitors for Energy torage and Conversion." Handbook of Clean Energy ystems. 20

21 3.3. Pseudo Kapasitörler Pseudo kapasitörlerde elektrotlar kompozit malzemeler ( karbon-aktif redoks malzemeler) olabilir. Bu kapasitörlerin Pseudo ismini almalarının sebebi elektron depolamalarının EDLC de olduğu gibi basit bir fiziksel proses olmamasıdır. Elektron aktarımı ara yüzeydeki çok hızlı gelişen indirgenme ve yükseltgenme reaksiyonları ile olur. EDLC ye göre kapasitansları kat daha fazladır [5]. Pseudo kapasitörler için elektrot malzemeleri; Metal oksitler: RuO 2, MnO 2 ve NiO gibi metal oksitler tersinir özellikleri sebebi ile elektrot olarak kullanımları süper kapasitörlere defalarca şarj edilebilme özelliği katar. İletken polimerler: İyi iyon kaynağı olmaları sebebi ile kapasitansı oldukça yüksek malzemelerdir. Ancak süperkapasitörlerin hızlı şarj/deşarj olmaları polimerin yapısını bozar bu sebeple ömürleri kısadır. [5] Kim, Brian Kihun, et al. "Electrochemical upercapacitors for Energy torage and Conversion." Handbook of Clean Energy ystems. 21

22 3.4. Asimetrik üperkapasitörler Asimetrik kapasitörler adından da anlaşılacağı gibi birbirininden farklı iki elektrottan oluşur. Elektrotlardan birisi karbon tabanlı malzemeden diğeri kapasitansı yüksek (faradic) malzemeden oluşur. Şekil 8. Örnek bir asimetrik süperkapasitör Elektrot Çifti Enerji (Wh/kg) Grafen-Grafen 2.8 MnO 2 - MnO MnO 2 - Grafen 30.4 [5] Kim, Brian Kihun, et al. "Electrochemical upercapacitors for Energy torage and Conversion." Handbook of Clean Energy ystems. 22

23 4. Kullanım Alanları on 10 yıldır şarj edilebilir lityum-iyon piller piyasaya da oldukça tercih edilirken, gelişen teknolojiye ayak uydurabilecek enerji depolama üniteleri olarak süperkapasitörler, lityum-iyon pillerini rafa kaldıracak gibi gözükmektedir. üperkapasitörler çok geniş bir kullanım alanına sahiptir. 23

24 4. Kullanım Alanları Endüstride süperkapasitörler; Hastanelerde, fabrikalarda elektrik kesinti anında güç bankası olarak bilgisayarları korumak için, Uçaklarda acil durum güç kaynağı olarak, kullanılmaktadır. 24

25 4. Kullanım Alanları Enerji kaynağı olarak süperkapasitörleri kullanan bir taşınabilir hoparlör [9]. Şarj olma süresi:5 dakika Kullanım süresi: 6 saat [9] Blueshift (Beck, 2013). 25

26 4. Kullanım Alanları Yenilenebilir enerji kaynaklarını depolamada kullanılabilir. Şekil 9. Rüzgar enerjisinin depolandığı süperkapasitörleri enerji kaynağı olarak kullanan Emirates Cable Cars Londra [10]. [10] 26

27 4. Kullanım Alanları İsviçre de 1 ton süperkapasitör tramvaylarda fren anında oluşan enerjiyi depolamak için tramvaylara yerleştirildi (2012) [11]. Şekil 10. Isviçre süperkapasitör uygulanmış tramvay [12]. [11] Railway-Gazette 2012 [12] 861_Genève.JPG 27

28 4. Kullanım Alanları Gelecekte : Volvo henüz konsept olarak üretilen bir aracında frenaj enerjisinden üretilen enerjiyi aracın bütün gövdesine yerleştirdiği süperkapasitörlerde toplayıp tekrar aracın kullanımına sunmak üzere geliştirmiştir. Şekil 11. Volvo nun geliştirdiği hibrit araç [13]. 28 [13]

29 4. Kullanım Alanları Güney Carolina Üniversitesi, insan vücudunun hareketi ile oluşan enerjiyi depolayabilecek süperkapasitör tabanlı kıyafetler geliştirmişlerdir (2013). Şekil 12. Giyilebilir teknolojide süperkapasitörler [14]. [14] Jost et al., Knitted and screen printed carbon-fibre supercapacitors for applications in wearable electronics,

30 5. Değerlendirme Dünyanın temiz ve güvenli enerji kaynakları için yeni seçenekler araştırılmasıyla süperkapasitörlerin katkıları daha da belirginleşmektedir. üperkapasitörlerin faydalarına rağmen bazı zorluklar olmasıyla sınırlandırılmıştır. üperkapasitörleri sınırlandıran elektronik devre tasarımıyla ilgili sınırlamalardır ve bu nedenle de elektronik tasarımları ve temelleri geliştirilmesi gereken ana konulardır. on yıllarda süperkapasitör yapımında çeşitli malzemeler kullanılarak süperkapasitörlerin özellikleri geliştirilmeye devam edilmektedir. Girişimci uygulamalara öncülük edilerek ve teknolojik araştırmalara yatırım yapılarak süperkapasitörlerin önemli bir kaynak olması beklenmektedir. 30

31 6. Kaynaklar [1] Kozak M., Kozak Ş., Enerji Depolama Yöntemleri, Baskı 4, Kasım, 2012 [2] Çalıker A., Özdemir E., Modern Enerji Depolama istemleri ve Kullanım Alanları, Kocaeli [3] w3.gazi.edu.tr/~balbasi/tezkonulari.pdf [4] [5] Kim, Brian Kihun, et al. "Electrochemical upercapacitors for Energy torage and Conversion." Handbook of Clean Energy ystems. [6] Li X., Wei B., upercapacitors based on nanostructured carbon, UA, 2012 [7] [8] [9] Blueshift (Beck, 2013). [10] [11] Railway-Gazette 2012 [12] 861_Genève.JPG [13] supercapacitors-integrated-with-body-panels#.vvem6c4qtyk [14] Jost et al., Knitted and screen printed carbon-fibre supercapacitors for applications in wearable electronics,