Teknolojinin Arka Planı: Grafen Süperkapasitörler

Teknoloji alanındaki yeni gelişmeler her geçen gün hayatımızı kolaylaştırmaya devam ediyor. Bu yeniliklerden biri de grafen tabanlı süperkapasitör enerji depolama sistemleridir. Peki bu teknolojinin arka planında ne bulunmaktadır?

Kondansatörler, şarj ve deşarj ile ilgili herhangi bir kimyasal reaksiyona sahip olmayan bir enerji depolama cihazıdır, bu da onları klasik pillerden üstün kılar. Herhangi bir kimyasal reaksiyon söz konusu olmadığından, muazzam hızlarda ve enerji yoğunluklarında şarj edilebilir ve deşarj edilebilirler. Bu nedenle, elektronikte anlık dengeleme ve aşırı akım sağlamak için kullanılmıştır.

Kondansatörler elektrostatik enerji depolama cihazlarıdır ve elektronikte yaygın olarak kullanılırlar. Endüstride, kapasitörler tipik olarak mikrofaradlar veya nano-faradlar aralığında depolama kapasitelerine sahiptir. Enerji depolama için kullanıldıklarında, birkaç mikrosaniyeden birkaç saniyeye kadar yalnızca kısa süreler için güç sağlarlar.

Buna karşılık, bir süper kapasitör, standart bir kapasitörden yaklaşık 10.000 kat daha fazla olan Farads aralığında depolama kapasiteleri sunar. Bu, süper kapasitörlerin bir devreye dakikalardan saatlere kadar daha uzun süreler boyunca enerji sağlamasına olanak tanır.

Bir kondansatör, bir dielektrik malzeme ile ayrılmış iki plakadan oluşur. Hem kapasitörlerin hem de süper kapasitörlerin enerji depolama kapasitesi üç ana faktöre bağlıdır: plakaların yüzey alanı, bu plakalar arasındaki mesafe ve plakalar arasındaki malzemenin dielektrik sabiti. Yüzey alanını veya dielektrik sabitini artırarak veya plakalar arasındaki mesafeyi azaltarak depolama kapasitesini artırabiliriz.

Başlangıçta, bilim adamları daha yüksek kapasiteler elde etmek için plakalar arasındaki mesafeyi en aza indirmeye odaklandılar ve bu da süper kapasitörlerin geliştirilmesine yol açtı. Dielektrik kalınlığın artık mikrometre yerine nanometre ölçeğine indirgenmesiyle, farad düzeyinde kapasiteler ve dolayısıyla süper kapasitörler elde edilebilir hale geldi.

Grafen ve nanotüplerin icadıyla, bilim adamları kapasitör plakalarının yüzey alanını yüzlerce kat artırmanın bir yolunu keşfettiler, bu da depolama kapasitesinde yeni bir sıçramaya ve grafen süper kapasitörlerin geliştirilmesine yol açtı. Bu gelişmeler, binlerce, hatta yüz binlerce farad aralığında kapasiteler sağlayarak, süper kapasitörlerin depolama potansiyelini Lityum Demir Fosfat (LFP) ve lityum iyon pillerle karşılaştırılabilir hale getirir.

Süper kapasitörlerin benzersiz avantajlarından biri, şarj veya deşarj işlemlerinde kimyasal reaksiyonlar olmadan enerjiyi elektrostatik olarak depolamalarıdır. Bu, şarj ve deşarj oranlarının kimyasal kısıtlamalarla sınırlı olmadığı, daha ziyade tellerin akım taşıma kapasitesi ve plakaların kalınlığı ile sınırlı olduğu anlamına gelir. Tipik olarak, bir süper kapasitör, nominal kapasitesinin yaklaşık 20 katında sürekli güç sağlayabilirken, lityum bazlı piller kısa süreler için nominal kapasitelerinin yalnızca birkaç katını sağlayabilir. Örneğin, 10Ah lityum iyon pil birkaç saniye boyunca 20A veya 30A sağlayabilir. Bununla birlikte, 10Ah kapasiteli bir süper kapasitör, tamamen boşalana kadar 200A'lık bir çıkışı sürdürebilir. Benzer şekilde, lityum bazlı piller genellikle nominal kapasitelerine yakın oranlarda şarj edilir, bu nedenle 10Ah pil genellikle 10Ah civarında şarj edilir. Buna karşılık, 10Ah'lik bir süper kapasitör 200A'da şarj edilebilir ve sadece 3 dakika içinde tam şarj olur.

Bu yetenek, çok sayıda endüstride dönüştürücü olabilir. Örneğin şebeke uygulamalarında, nispeten düşük kapasitelere sahip grafen süper kapasitörler kullanılarak enerji depolama, dalgalanmaların yönetilmesine yardımcı olarak karbon bazlı enerji kaynaklarına olan ihtiyacı azaltabilir. Örneğin, 100kW'lık bir süper kapasitör bankası, 5 dakika boyunca 2MW'a kadar güç sağlayabilir ve bir esinti değişene veya bir güneş enerjisi çiftliği üzerinde bir bulut temizlenene kadar boşlukları doldurabilir. Bu, tek bir yerde günlük olarak önemli karbon emisyonlarını önleyebilir.

Holey Grafen gibi grafen malzemelerindeki gelişmelerle birlikte, önümüzdeki yıllarda yüzey alanında on kat artış bekleniyor. Bu, süper kapasitörlerin birim hacim veya ağırlık başına enerji yoğunluğunu lityum iyon pillerin dört katına çıkaracaktır. Şu anda, grafen süper kapasitörler, Lityum Demir Fosfat (LFP) pillerin enerji yoğunluğunun yaklaşık %80'ine ve lityum iyon pillerin %50'sine sahiptir. Bununla birlikte, yalnızca birkaç dakika içinde şarj edebilmeleri, onları belirli uygulamalar için üstün kılar.

Bu ultra hızlı şarj özelliği, şehir içi toplu taşımada devrim yaratabilir ve otobüslerin duraklarda saniyeler içinde şarj olmasına olanak tanıyarak rotanın bir sonraki ayağı için yeterli enerji sağlayabilir. Ek olarak, süper kapasitörler, LFP piller için yaklaşık 2.000 döngüye kıyasla 110.000'den fazla şarj döngüsüne dayanabilir ve bu da uzun ömürlerini ve sürdürülebilirliklerini önemli ölçüde artırır.