Lityum-iyon piller çok fazla enerji depolayabilir ancak bu enerjiyi yavaş verirler. Bir elektrikli otobüsün kalkış anındaki ani güç ihtiyacını veya frenleme sırasındaki geri kazanılan enerjiyi piller tek başına karşılayamaz. İşte burada devreye Süperkapasitörler girer. Ancak geleneksel aktif karbon kullanan süperkapasitörlerin enerji depolama kapasitesi sınırlıdır. Bilim insanları bu limiti aşmak için karbonun en egzotik iki formu olan Grafen ve Karbon Nanotüpleri (CNT) aynı elektrot yapısında birleştirmektedir.
Piller kimyasal reaksiyonla çalışır, bu yüzden yavaştır ve zamanla eskir. Süperkapasitörler (veya elektrokimyasal çift katmanlı kapasitörler - EDLC), enerjiyi elektrostatik olarak depolar. Artı ve eksi yükler, elektrot yüzeyine fiziksel olarak yapışır.
Temel Kural: Yüzey alanı ne kadar büyükse ve iletkenlik ne kadar yüksekse, kapasite o kadar artar.
Tek atom kalınlığındaki karbon levha olan grafen, teorik olarak gram başına 2630 metrekare gibi inanılmaz bir yüzey alanına sahiptir. Ayrıca elektriği bakırdan daha iyi iletir.
Sorun (Yığınlaşma): Grafen tabakaları üretim sırasında birbirine yapışma (restacking) eğilimindedir. Bu durum, aradaki aktif yüzey alanının kapanmasına ve iyonların oraya girememesine neden olur. Yani teorik kapasiteye pratikte ulaşılamaz.
Silindir şeklinde sarılmış grafen olan CNT'ler, mekanik olarak çok sağlam ve iletkendir. Süperkapasitörlerdeki asıl görevi, grafen yapraklarının arasına girerek bir "ayırıcı" (spacer) görevi görmektir.
Mesogözenekli Yapı: CNT'ler, grafen tabakalarını birbirinden ayırarak iyonların (elektrolitin) derinlere kadar nüfuz etmesini sağlayan otoyollar oluşturur.
En yüksek performans, bu iki malzemenin hibrit kullanılmasıyla elde edilir.
Sütunlu Yapı (Pillared Structure): Grafen yaprakları zemin ve tavan, CNT'ler ise bunların arasındaki sütunlar gibi davranır. Bu 3 boyutlu yapı;
Grafenin yüzey alanını korur (yapışmayı önler).
CNT'nin iletkenliği sayesinde elektron transferini hızlandırır.
Mekanik dayanıklılığı artırarak elektrotun şişmesini veya bozulmasını engeller.
Bu nanokompozit elektrotlar sayesinde süperkapasitörlerin enerji yoğunluğu, kurşun-asit akülere yaklaşmaya başlamıştır.
Elektrikli Taşıtlar: Rejeneratif frenleme enerjisini %95 verimle yakalayıp depolamak için.
Rüzgar Türbinleri: Kanat açısını ayarlayan (pitch control) motorlara ani güç sağlamak için.
Tüketici Elektroniği: Flaşı patlatmak veya saniyeler içinde şarj olan cihazlar üretmek için.
Grafen ve Karbon Nanotüpler, süperkapasitörleri sadece "destekleyici" bir bileşen olmaktan çıkarıp, ana enerji kaynağı olmaya aday hale getirmektedir. Pillerin yüksek enerjisi ile kapasitörlerin yüksek gücünü birleştiren bu hibrit teknolojiler, şarj süresini saatlerden saniyelere indiren geleceğin anahtarıdır.
