Yüksek Performanslı Enerji Depolama Sistemleri için Microfluidizer® Teknolojisi

Giriş

Son yıllarda enerji depolama talebi artmıştır. Enerji depolama, daha az karbon ayak izi bırakan, daha ucuz ve daha güvenilir elektrik sistemlerinin oluşturulmasına yardımcı olur ve çeşitli ulaşım ve altyapı uygulamalarında yaygın olarak benimsenmiştir.

Yaygın olarak kullanılan enerji depolama cihazları arasında bataryalar, kapasitörler ve yakıt hücreleri bulunmaktadır:

• Piller en bilindik olanlardır ve lityum-iyon piller (LIB’ler) baskın depolama teknolojisi hâline gelmiştir.
• Kapasitörler bataryalara kıyasla daha az enerji yoğunluğuna sahiptir ancak enerji yoğunluğunu kaybetmeden hızlı ve tekrarlı bir şekilde şarj ve deşarj olabilir.
• Yakıt hücreleri, kimyasal reaksiyonlar yoluyla pillere benzer şekilde elektrik üretmelerine rağmen, depolanan enerjiyi kullanmak yerine mevcut yakıtı (çoğunlukla hidrojen) dönüştürerek güç üretirler.

Süperkapasitörler veya ultrakapasitörler olarak da adlandırılan elektrokimyasal çift katmanlı kapasitörler (EDLC’ler), geleneksel kapasitörlere kıyasla çok daha yüksek kapasitansları nedeniyle son zamanlarda daha fazla ilgi çekmektedir. EDLC’ler kimyasal reaksiyonlara dayanmak yerine, elektrostatik etkileşimlere dayalı olarak iki paralel elektrotun yüzeyinde elektrik yüklerini fiziksel olarak depolar. Proton değişim membranı veya polimer elektrolit membranı (PEM), küçük bir hacim içinde düşük çalışma sıcaklıklarında yüksek güç yoğunluğu sağlama kabiliyeti nedeniyle yakıt hücresi üretiminde lider teknolojidir. PEM yakıt hücreleri çeşitli malzeme katmanlarından oluşur ve bu teknolojinin merkezinde membran elektrot düzeneği (MEA) yer alır. Elektrot, birincil kimyasal reaksiyonu yönlendiren platin (Pt) gibi değerli bir metal içeren bir katalizör tabakasından (CL) oluşur. Hidrojen molekülleri anot tarafında proton ve elektronlara ayrılır ve katot tarafında oksijen ile birleşerek su oluşturur.

Enerji depolama cihazları için kritik bir bileşen olan elektrotlar, sadece toplam malzeme maliyetinin önemli bir kısmını temsil etmekle kalmaz, aynı zamanda artan enerji ve güç yoğunluğu gibi performans iyileştirmeleri söz konusu olduğunda kilit bir tasarım unsurudur. Bununla birlikte, elektrot tasarımı ve kullanılan malzeme en büyük zorluklardan ve sınırlamalardan biridir. Bu faktör nedeniyle, karbon bazlı nanomalzemeler, elektrot bileşimlerinin bir parçası olarak araştırılmıştır:

• Geniş spesifik yüzey alanı gibi benzersiz fizyokimyasal ve yapısal özellikler
• Yüksek elektrik ve ısı iletkenliği.
• Mükemmel mekanik özellikler.

Sıklıkla kullanılan karbon bazlı malzemeler arasında aktif karbon, karbon nanotüp (CNT) ve grafen bulunmaktadır. Grafen üretimindeki gelişmeler enerji depolama ve dönüştürme uygulamaları için grafen bazlı malzemelerin gelişimini tetiklemiş olsa da, büyük kardeşi CNT’nin ticarileşme potansiyeli giderek artmaktadır. Bu malzeme sadece iletken bir katkı maddesi olarak görülmekle kalmaz, aynı zamanda diğer ultra yüksek kapasiteli malzemeler için serbest duran elektrot veya destekleyici çerçeve oluşturma kabiliyetine de sahiptir. Aktif karbon, geniş yüzey alanına yol açan yüksek gözenekliliği ve dolayısıyla performanstan ödün vermeden katalizör içeriğini azaltarak daha uygun maliyetli bir çözüm elde etme kabiliyeti nedeniyle kritik yakıt hücresi katalizör bileşeni için destek malzemesi olarak ideal bir adaydır.

Zorluk

Karbon bazlı nanomalzemelerin sunduğu avantajlara rağmen, formülasyon ve üretim sırasındaki önemli bir sorun, malzemenin toplanma eğiliminde olmasıdır; bu da belirli yüzey alanlarını ciddi şekilde azaltabilir ve performansı olumsuz yönde etkileyebilir. Üretim sürecinde ortaya çıkan kontaminasyon, sadece elektrot malzemelerinin kaybına yol açmakla kalmayıp aynı zamanda cihaz performansını da olumsuz etkilediği için bir diğer kritik husustur. Mevcut yöntemlerle ilişkili diğer zorluklar arasında uzun işlem süreleri, düşük işlem verimliliği, ürün kalitesi ve işlem ölçeklenebilirliğinin olmaması yer almaktadır.

Çözüm

Aşağıdaki vaka çalışmaları, Microfluidizer® teknolojisinin elektrot/cihaz performansını daha düşük bir maliyetle nasıl verimli bir şekilde iyileştirebileceğini ve karbon bazlı nanomateryal zorluklarını ele alırken istenen ürün özelliklerini nasıl elde edebileceğini göstermektedir.

Vaka Çalışması 1

Yakıt Pili Elektrodu Katalizör Katmanı için Mürekkep Dağılımı

Bu çalışmada, aktif karbon üzerinde desteklenen platin dispersiyonu, 1 µm’nin altında partikül boyutuna sahip homojen bir dispersiyon elde etmek amacıyla işlenmiştir. Numune başlangıçta 3,234 µm’lik büyük bir ortalama partikül boyutu göstermiş ve partiküllerin çoğu 1-10 µm boyut aralığında yer almıştır. (Bkz. Tablo 1 ve Şekil 1).

Numune M110EH pilot ölçekli Microfluidizer® işlemciden geçirildikten sonra ortalama partikül boyutu önemli ölçüde 217,1 nm’ye düşürülmüştür. Toplam partikül popülasyonunun %90’ının hacim bazında bu boyuttan daha küçük olduğu anlamına gelen D90 partikül boyutu bile 347,7 nm’ye düşerek homojen bir dağılım elde edildiğini göstermiştir.

Tablo 1. Yakıt hücresi Microfluidizer® işlemci ile işlemeden önce ve sonra yakıt hücresi CL mürekkep dispersiyonunun partikül boyutu.

Şekil 1. Yakıt hücresi CL mürekkep dispersiyonunun Microfluidizer® işlemci ile işlenmeden önce ve sonra partikül boyutu dağılımları

Vaka Çalışması 2

Pil/Süperkapasitör için CNT Dağılımı

Bu çalışmada, bir dispersiyon formüle etmek için daha uzun demetlenmiş CNT’ler kullanılmıştır ve amaç sadece CNT’leri demetlemek ve dağıtmak değil, aynı zamanda uzunluklarını azaltmak ve böylece toplam boyutun nispeten düşük bir sıvı viskozitesi ile 3 µm’den az olmasını sağlamaktır. CNT’lerin uzun en-boy oranı doğası nedeniyle partikül boyutu analizi tipik olarak hatalı olsa da, yine de trend sağlamak ve proses verimliliklerini belirtmek için kullanılabilir.

Tablo 2 ve Şekil 2’de belirtildiği gibi, işlenmemiş CNT aglomerasyonları başlangıçta 30 µm’den daha büyük bir ortalama boyut ile geniş bir boyut aralığına sahipti. Microfluidizer® işlemciden sadece 1 geçişten sonra, hem boyut hem de partikül boyutu dağılımı önemli ölçüde azalmış ve ek geçişlerle azalmaya devam etmiştir.

5 geçişten sonra ortalama partikül boyutu 2,864 µm ile hedefin altına düşmüş ve 10 geçişten sonra çoğu partikül 2 µm’den az olmuştur (D90 = 1,987 µm).

Tablo 2. Microfluidizer® işlemci ile işlemeden önce ve sonra CNT dispersiyonunun partikül boyutu

Şekil 2. Microfluidizer® işlemci ile işlemeden önce ve sonra CNT dispersiyonunun partikül boyutu dağılımları

MICROFLUIDICS NASIL FARK YARATIR?

Microfluidizer® teknolojisi kullanılarak istenen sonuçlar elde edildi. Atık kaybı ve kontaminasyon endişeleri, işleme sırasında yüksek kesme kontrol edilerek giderilmiştir. Daha küçük Ar-Ge hacimlerinden üretim ölçeklerine geçerken ölçeklenebilirlik göz önünde bulundurulmalıdır. Alternatif yöntemlerin çoğu ölçeklenebilir değildir. Microfluidizer® teknolojisi, sorunsuz doğrusal ölçeklendirme için eksiksiz bir ürün yelpazesi sunar.

Kaynak: Microfluidics