Yüksek Enerjili Pil Geliştirme
Bilim adamları son yıllarda elektronik parça evrimine yeterli oranda ayak uydurabilecek piller ve kapasitörler gibi enerji depolama çözümleri geliştirmek için mücadele etmiştir. Ne yazık ki, şu anda içinde bulunduğumuz durum, pillerin belirli türleriyle büyük miktarda enerji saklamak mümkün iken, bu piller, çok büyük, çok ağır ve nispeten yavaşda olsa kendi enerjisini serbest bırakmasıdır. Diğer taraftan kondansatörler, çok hızlı bir şekilde şarj edilebilir fakat enerji salımı fazla ve bir pile göre çok daha az enerji depolar. Grafen uygulama geliştirmesi sayesinde çok ucuz yapılabilen yüksek şarj ve deşarj oranları, enerji depolama için yeni olanaklar gibi bazı yeniliklerin öncüsü olmuştur. Fazla ayrıntıya girmedenenerji depolama temelleri ve süperkapasitör olarak bilinen grafen uygulama geliştirmesini anlatalım.
Kapasitörler ve süperkapasitörler
Bir kondansatör, bir elektro-kimyasal pilin benzer bir enerji depolama ortamıdır. Çoğu piller ile büyük miktarda enerji depolamak mümkün iken fosil yakıtlar gibi diğer enerji çözümlerine kıyasla nispeten verimsizdir. Genellikle bir 1kg elektrokimyasal pil,1 litre benzininden daha az enerji ürettiği söylenir; ancak bu tür karşılaştırma matematiksel mantıksız, son derece belirsizdir. Aslında, bazı elektrokimyasal piller nispeten verimli olabilir, ama bu örneğin ulaşım, ticari ve endüstriyel uygulamalarda fosil yakıtların yerini alabilecek kadar gelişmemiştir.Şimdilik bazı büyük dezavantajları vardır.Örneğin; şarj süresi.
Yüksek kapasiteli pilleri şarj etmek uzun zaman alabilir. Bu şarj süresi, elektrikle çalışan araçların gelişen teknoloji çağında yerini almamasının başlıca nedenlerinden biridir. Şimdi Tesla Model S gibi bir arabanın içinde tek bir şarj ile 250 mil ya da daha fazla seyahat edebilecek olsa da, geri dönüş için bir standart 120v priz kullanarak aracı şarj etmek 43 sürebilir. Bu, pek çok otomobil kullanıcıları için kabul edilebilir değildir. Kondansatörler, diğer taraftan, çok daha hızlı şarj edilebilir fakat depoladıkları enerji oldukda azdır.
Ultrakapasitörler olarak bilinen Süperkapasitörler ile standart kapasitörlere göre yüzlerce kat fazla elektrik şarj miktarı elde etmek mümkündür ve bu nedenle birçok endüstriyel ve ticari uygulamalarda elektrokimyasal pillerin yerine kullanılabilir.süperkapasitörler da çok düşük sıcaklıklarda çalışabilirler.Düşük sıcaklık birçok elektrokimyasal pilin çalışmasını önleyen bir durumdur. Süpercapasitörler kinetik enerji üretiminde ,radyo ve el fenerlerinde kullanılabilir.
Geleneksel bir kapasitör, bir yalıtkan ile ayrılmış ( pozitif ve negatif yüklü ) iki katmandan oluşan iletken bir malzemeden oluşur. Bir kondansatörün tutabildiği şarj miktarını iletkenlerin yüzey alanı, iki iletkenler ve aynı zamanda yalıtkan dielektrik sabiti arasındaki mesafedir. Süperkapasitörler bir katı yalıtkan içermez.Bu yapı biraz daha farklıdır.
Bunun yerine, iki iletken levha bir hücrenin içinde gözenekli metal bir plaka ile kaplanmıştır.Hücreler elektrolit çözeltisi içine batırılmıştır.En çok aktif karbon kullanılır. gözenekli malzeme son derece yüksek bir yüzey alanına sahiptir (bir tenis kortu alanına eşit sayılabilir) ve bir süperkondansatör kapasitansı iki tabaka arasındaki mesafe ve yüzey alnı ile belirlenir. Gözenekli malzemenin yüzey alanı çok fazla olduğundan, çok yüksek şarj seviyeleri elde edilebilir.
Süperkapasitörlerin standart kapasitörlerden çok daha fazla enerji depolamak mümkün olmakla birlikte, yüksek dayanım gerilimi etme yeteneği sınırlıdır. Elektrolitik kapasitörler yüzlerce voltta çalıştırmak mümkündür, ancak süperkapasitörler genellikle yaklaşık 5 volt ile sınırlıdır. Bununla birlikte, süperkapasitörleri yüksek voltajlarda çalıştırabilmek için sistemli ve uygun kontrol edilebilir bir planlama gereklidir.
Grafen kullanımı
Periyodik tablodaki en ilginç elementlerden biri Karbon atomudur. Karbonun grafit (kurşun kalem, katı yağlayıcılar vb.) ve elmas gibi gündelik hayattan çok iyi bilinen allotroplarının yanında nanotüp ve fulleren gibi yeni sentezlenen formları da mevcuttur. Özelliklekarbon nanotüpler ve C60 (fulleren) molekülleri ilk sentezlendikleri yıllardan günümüze kadar katı hal fiziğini son derece aktif araştırma alanları arasına girmiştir
Karbonun bal peteği örgülü yapıları olan grafen, grafit, karbon nanotüp ve fulleren sp2 melezleşmesinin ürünüyken elmas ise sp3 melezleşmesi ve dört-yüzlü ağ örgüsü ile öncekilerden farklı bir kategoride değerlendirilir. Grafen, iki boyutlu planar yapıların çok ender örneklerinden birisidir. Karbon atomları 1s ve 2p orbitallerinin birleşimi ile 120 derece açılı sp2 melezleşmesi yaparken boşta kalan pz orbitalleri de grafen malzemesine sıradışı özellikler kazandırmaktadır.
Grafen yapısında karbon-karbon bağ uzaklığı yaklaşık olarak 1.42 Angstrom iken grafen tabakalarının üst üste gelmesi ile meydana gelen grafitte iki grafen tabakası arasındaki mesafe yaklaşık 3,35 Angstrom’dur. Grafendeki güçlü karbon bağları ona yeryüzündeki bilinen en sağlam malzemelerden biri olma özelliğini kazandırmıştır. Bununla birlikte grafitteki grafen katmanlar arasındaki bağlar oldukça zayıftır. Kurşun kalemi kağıda sürtünce bu zayıf bağlar kırılmakta ve kağıda yayılan grafen ve grafit tabakalar yazı izlerini oluşturmaktadır.
Karbon nanotüpler, C60 molekülleri ancak yapay yollarla sentezlenebilirken elmas ve grafit doğada serbest olarak bulunabilmektedir. Termodinamiksel hesaplamalara göre karbonun grafit fazı elmastan dahi daha kararlıdır. Fakat bunlara rağmen grafitin tek katmanlı hali olan grafen malzemesin sentezlenmesi 2004 yılına kadar gerçekleşememiştir. Hatta L. D. Landau ve R. Peierls gibi önemli fizikçiler grafen gibi iki boyutlu malzemelerin teorik olarak kararlı olamayacaklarını; bu kararsızlığın düşük sıcaklıklarda bile malzemenin dağılmasına yol açacağını öngörmüşlerdir. Grafenin kararlı yapısının altında yatan sebebin yüzeye dik termal dalgalanmalar olduğu düşünülmektedir.