Synthesis of a new class hybrid 2D materials as electrode for symmetric supercapacitor

Abstract

Elektrik enerjisi depolama sistemleri (ESS), özellikle yenilenebilir enerji üretimindeki artış, ulaşım sektörünün elektrifikasyonu ve kablosuz elektrikli cihazlara yönelik artan talep sonucunda önemli bir araştırma alanı haline gelmiştir. Enerji sistemlerinde, enerjinin üretilme şeklinin önemi, enerjiyi verimli şekilde depolayabilen cihazların üretimini arttırmaktadır. Uzun çevrim ömürleri, hızlı şarj-deşarj özellikleri ve yüksek güç yoğunlukları, performans açısından süperkapasitörleri avantajlı enerji depolama birimleri haline getirmektedir. Akım toplayıcı ve aktif elektrot malzemesi olarak kullanılabilecek malzemelerin çeşitliliği ve hibrit kullanımı süperkapasitörleri diğer enerji depolama birimlerinden ayırmakta, sürdürülebilir, düşük maliyetli ve kolay üretim süreçlerinin keşfi ise daha öncelikli hale getirmektedir. Bu tez çalışmasında karbon keçe elektroda kaplı polipirol temelli elektrot malzemeleri üretildi. İlk olarak yeşil sentez yöntemiyle TiO2 nanopartikülleri üretildi ve polipirol elektrot üzerindeki enerji depolama performansı incelendi. Ardından MXene üretimi yapılarak TiO2 ile çeşitli kombinasyonlarla ayrı ayrı polipirol temelli elektrotlar üzerinde kapasitif performansları araştırıldı. Bu tez çalışmasında 13-60 nm boyutlarında nanopartiküller başarıyla sentezlendi. Morfolojik olarak homojen ve küçük taneciklerden oluşan malzemeler daha büyük yüzey alanına sahip olduğundan elektrolit iyonları ile elektrot yüzeyinin fazlaca etkileşmesini sağlayarak kapasitif performansın artmasını sağladı. Polipirol polimerinin kullanılmasıyla iletken polimerin kapasitif özelliğinden yararlanıldı ve elektrot malzemelerinin keçe yüzeyine kaplanmasında bağlayıcı olarak, malzemelerin akım toplayıcı üzerinde kaplanmasını sağlayacak etkileşimi arttırdı. 3-elektrotlu sistemde en yüksek kapasitif performansı PPy(10mg)/MXene@TiO2(20mg) elektrotu göstermiştir. 5 mV/s tarama hızında 467,7 F/g olarak hesaplanmıştır. Ardından bu en iyi elektrot malzemesi ile oluşturulan simetrik süperkapasitörün spesifik kapasitans değeri 5 mV/s tarama hızında 337,9 F/g olarak hesaplandı. Ulaşılan en yüksek enerji yoğunluğu 5.0 Wh/kg ve en yüksek güç yoğunluğu 1000,0 W/kg olarak hesaplandı.Electrical energy storage systems (ESS) have become an important research area, especially as a result of the increase in renewable energy production, the electrification of the transport sector, and the growing demand for wireless electrical devices. In energy systems, the importance of the way energy is produced brings to the forefront the production of devices that can store energy efficiently. In terms of performance, their long cycle life, fast charge-discharge characteristics, and high power densities make supercapacitors an advantageous energy storage units. The variety of materials that can be used as current collector and active electrode materials distinguishes these devices from other energy storage units. In addition, the discovery of sustainable, low-cost and easy manufacturing processes makes supercapacitors a higher priority. In this thesis, Polypyrrole-based electrode materials coated on carbon-felt electrodes were fabricated. Firstly, TiO2 nanoparticles were produced by the green synthesis method, and energy storage performance on Polypyrrole electrodes was investigated. Then, MXene was produced and its capacitive performances on polypyrrole-based electrodes were investigated separately with various combinations with TiO2. In this study, nanoparticles with dimensions of 13-60 nm were successfully synthesized. Since the morphologically homogeneous and small particles have a larger surface area, the materials have enabled the electrode surface to interact more with the electrolyte ions, thereby increasing the capacitive performance. With the use of polypyrrole polymer, the capacitive property of the conductive polymer was utilized and as a binder in the coating of the electrode materials on the felt surface, it increased the interaction that would allow the materials to be coated on the current collector. In the 3-electrode system, PPy(10mg)/MXene@TiO2(20mg) electrode showed the highest capacitive performance. It was calculated as 467.7 F/g at a scan rate of 5 mV/s. Then, the specific capacitance value of the symmetric supercapacitor formed with this best electrode material was calculated as 337.9 F/g at a scan rate of 5 mV/s. The highest energy density achieved was 5.0 Wh/kg and the highest power density was 1000.0 W/kg.