ULTRAKAPASİTÖRLER

 

Geleneksel kapasitörler, ortalarında katı bir dielektrik malzemeden yapılmış ayırıcı bulunan iki elektrottan oluşur. Katı dielektrik malzemeler tipik olarak seramikler ve metal oksit türlerinden seçilir . Faradayik süreçlerin olmaması eksikliği nedeniyle SOC ile doğru orantılı bir uç gerilimi doğurur  . Plakalar yük depolarken, kendileri elektrik alanına antiparalel bulunan dielektrik malzemenin moleküler dipolleri elektrik alanı boyunca hizalayan bir moment hissedeceklerdir. Bunun sonucu olarak kapasitans, elektrodun yüzey alanına, dielektrik sabitine ve plakalar arasındaki uzaklığa

C=A.ε/d

şeklinde bağımlıdır. Ultra veya süperkapasitörler geleneksel kapasitörlerden farklıdır. Çünkü iki çeşit enerji depolamayı kullanırlar: Elektrostatik ve elektrokimyasal depolama. Bunun ötesinde her iki elektrodu ayıran katı bir dielektrik malzeme yerine elektrolitik bir çözeltiye sahiptirler. Elektrostatik potansiyel şeklinde enerji depolamaya, elektrik çift tabaka kapasitansı denilir . Buna bazen keşfeden kişinin adıyla Helmholtz çift katmanı da denilir. Çift katman elektrot yüzeyi ve elektrolit arasındaki arayüzde depolama yapar. Bir katman elektrot üzerinde yük şeklinde gelişir. Bu arada ikinci bir katman, elektrolitik çözeltiden elektrot yüzeyine nüfuz eden iyonlar şeklinde gelişir. Bu nüfuz süreci lityum iyon bataryalarda görülene çok benzerdir. Elektrot yüzeyindeki yük, elektronötralitenin bir sonucu olarak elektrolit katmanında biriken yüke eşit ve zıt olmalıdır. Elektrot yüzeyinde oluşan yük katmanı tipik olarak 10-10m’den biraz küçüktür. Oysa elektrolit bölgesi üzerindeki yük katmanını karmaşık yapısından dolayı modellemek çok daha zordur . Her iki elektrodun ara yüz bölgesinde oluşan elektriksel çift katman bir kapasitans olarak modellenebilir.

Elektrokimyasal potansiyel şeklinde enerji depolama bazı UK’larda kullanılan ikinci enerji depolama şeklidir. Bu enerji depolama şekline yarı kapasitans da denilir ki elektrot kafes yapısı tarafından absorbe edilen elektrolitteki iyonların elektrot-elektrolit ara yüzüne nüfuz ettiği zaman ortaya çıkar . Yarı kapasitansı oluşturmak için kullanılan diğer süreçler ise elektrolitteki iyonların redoks tepkimeleri ve elektroda aktif polimerlerin katkılanmasıdır . Tutunma ve nüfuz etme ve elektriksel konum değiştirme yoluyla oluşan yarı kapasitans elektrot kafesinde bulunan Li+ gibi iyonların üretildiği yüzeyde ortaya çıkar. Tutunma oluşurken oksitlenme ve redüklenme tepkimeleri yoluyla iyonlar elektronları alır veya bırakır . Elektriksel çift katman kapasitörler (EDLC) durumunda faradayik süreçlerden ziyade elektrik çift katmanda enerji depolanır. Elektrolitteki iyonlar elektrot yüzeyine doğru nüfuz ederler ve gözenekli kafese eklemlenebilirler  . Diger taraftan yarı kapasitörler esas enerji depolama yöntemleri olarak sadece faradayik redoks tepkimelerini kullanırlar . Yük transferi elektrolit ve elektrot arasında gözlenir. Yarı kapasitörler geleneksel EDLC’den daha yüksek enerji yoğunlukları sunarlar, fakat onların da zayıf olduğu yönler vardır. Bunlar, tutunma ve yük transferi sürecinde elektrodun yapısında çökelme gibi, kafes yapısında aşınma ve bozunmayı artırıp çevrim ömrünü kısaltan süreçlere bağlı olmalarından kaynaklanır. Artık üreticiler yarı kapasitif olan iki elektrodun sadece bir çıkışı olan hücreleri üretebilmektedirler. Bunlara karma asimetrik UK ismi yaygın olarak verilir. Günümüz piyasasında mevcut olan en gelişmiş karma UK hücrelerin ikisi 5000 F’lık Yunasko hücre ve 1100 F’lık JM enerji Ultimo hücredir. U.C. Davis Taşımacılık Çalışmaları Enstitüsünde yapılan bir çalışmaya göre bu hücrelerin sıralı paketlenmiş haliyle özgül enerjisi 30 ve 10 Wh/kg olup sırasıyla özgül gücü 3395 ve 2450 W/kg olarak sağlayabilmektedir .  UK’lar bataryaya tampon oluşturup karma enerji depolama sistemlerinin gücünü, ömür kapasitesini artırmak için ve daha büyük ivmelenme ve faydalı frenleme yetenekleri sağlamak için stratejik olarak kullanılırlar. Maxwell marka UK’lar hibrit otobüslerde ve PSA mikro hibritlerde kullanılmaktadırlar . Yeni bir Mazda-6 modeli, 12V start stop bir mikro hibrit üzerinde faydalı frenleme yapmak için bir UK kullanmaktadır. Honda, Toyota ve AFS Trinity firmalarının her biri daha yüksek performansı UK kullanarak elde etmek için konsept ve prototip taşıtlar geliştirmiştir.

Kaynaklar

https://openaccess.firat.edu.tr/xmlui/bitstream/handle/11508/18216/479147.pdf?sequence=1