TÜBİTAK 2209-A Üniversite Öğrencileri Araştırma Projeleri Destek Programı kapsamında proje ortağı olarak yer aldığım bir çalışma. Proje 7 Nisan 2025’te başladı, 31 Temmuz 2026’da tamamlandı. Amaç, esnek elektroniklerde kullanılabilecek süperkapasitör elektrotlarını serigrafiyle basabilmekti. Bunun için toksik çözücü içermeyen, su bazlı bir karbon mürekkebi geliştirdik, elektrotları basıp düğme hücre olarak birleştirdik ve ölçtük.
Arka plan
Süperkapasitörler enerjiyi elektrot ile elektrolit arasında oluşan elektriksel çift tabakada depolar [1]. Şarj ve deşarj kimyasal bir tepkimeye dayanmadığı için pillere göre daha yüksek güç yoğunluğu ve çok daha uzun çevrim ömrü sunarlar, karşılığında enerji yoğunlukları düşüktür [2]. Elektrot malzemesi olarak en sık, yüzey alanı yüksek ve ucuz olan karbon esaslı malzemeler kullanılır [3]. Aktif karbon kapasitansın ana kaynağıdır, karbon karası ve grafen nanoplakalar (GNP) ise iletken bir ağ kurup seri direnci düşürür.
Elektrotları basmak için serigrafiyi seçtik. Düşük maliyetli ve ölçeklenebilir bir yöntem, basılan filmin kalınlığı ve geometrisi üzerinde de kontrol sağlıyor [4]. İşin zor tarafı mürekkep: rakle geçerken viskozitesi düşmeli, baskıdan sonra geri kazanmalı. Geleneksel elektrot üretimi NMP gibi toksik çözücülere dayanır. Biz suda çözünen polimerleri (PAA, PVA, PVP) bağlayıcı olarak kullanıp su bazlı bir mürekkep hedefledik.
Denemeler
Çalışmanın büyük kısmı Şubat–Nisan 2026’daki mürekkep denemeleriydi. Aktif karbon, karbon karası ya da GNP ve farklı bağlayıcılarla (PAA, PVA, PVP) çok sayıda karışım hazırlayıp baskı kalitesine baktık. Dönüm noktaları şunlardı:
- Bağlayıcı seçimi (Şubat–Nisan başı). Molekül ağırlığı ~150.000 olan Karbomer PAA aktif malzemeyle homojen karışmadı. PVA hızlı karıştı ama taneli bir yüzey bıraktı ve PAA ile uyumsuz çıktı. Bunun zincirler arasındaki güçlü hidrojen bağlarından kaynaklandığını düşünüyoruz. En kararlı mürekkebi Mv ~450.000 olan SİGMA PAA verdi.
- Tekrarlanabilirlik (14–15 Nisan). Aynı reçeteyle tutarlı sonuç alamıyorduk. Nedeni yetersiz karıştırmadan kaynaklanan karbon topaklanmasıydı. Karıştırma süresini yaklaşık 3 saatten 12 saate çıkarınca düzeldi. Yüzey kırılgan kaldığı için yardımcı bağlayıcı olarak PVP ekledik. Literatürde PVP’nin karbon esaslı mürekkeplerde topaklanmayı önleyip film bütünlüğünü iyileştirdiği bildiriliyor [5].
- Nihai reçete (21–28 Nisan). PVP ve SİGMA PAA’yı birlikte kullanıp karbon karası yerine GNP koyduk. Kuruma hızı, esneklik ve yüzey yeterli bulundu.
Nihai reçete
Bağlayıcı olarak PVP ve SİGMA PAA, iletken katkı olarak GNP, çözücü olarak saf su kullanıldı. Kütlece oran 9,5:0,5:1 (aktif karbon : GNP : bağlayıcı). Basılan film esnetildiğinde çatlamadı ve tabakalaşmadı. Reçeteyi 3 kat ölçeğinde de hazırlayıp bastık, baskıdan sonra çatlak ya da homojensizlik görülmedi. Yani formülasyon ölçeklenebilir çıktı. Elektrotlar alüminyum folyo üzerine, 40×45 mm desenle ve üst üste birkaç baskı halinde basıldı, her baskıdan sonra 80 °C’de kurutuldu.
Hücre montajı ve ölçümler
Elektrotları CR2032 düğme hücre boyutunda kesip elektrolit olarak lityum perklorat (LiClO4) ile ıslattık, separatörle birlikte hücreyi birleştirdik. İlk hücre 4 Mayıs 2026’da kuruldu. 5 Mayıs’ta GAMRY Interface 1000 ile elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EİS) ve çevrimsel voltametri (CV) ölçümlerini yaptık.
Nyquist eğrisinde yüksek frekanstaki kesişim eşdeğer seri direnci, düşük frekanslarda dikeye yakın artış ise kapasitif davranışı gösterir. CV eğrilerinin dikdörtgene yakın biçimi enerji depolamanın ağırlıklı olarak elektriksel çift tabaka mekanizmasıyla olduğuna işaret eder [6]. Ölçümler, serigrafiyle ürettiğimiz elektrotların düğme hücrede çalıştığını ve kapasitif davranış gösterdiğini doğruladı.
Yapısal karakterizasyon
Basılan elektrodun yüzeyini taramalı elektron mikroskobuyla (SEM, 15 kV), faz yapısını X-ışını kırınımıyla (XRD) inceledik. SEM görüntüsünde aktif karbon taneleri ve GNP plakaları çatlaksız, gözenekli bir ağ oluşturuyor. Bu gözenekli yapı, elektrolit iyonlarının erişebileceği yüzey alanını yani çift tabaka kapasitansını etkiler [3]. XRD deseninde aktif karbonun amorf yapısına ait geniş (002) tümseği ve GNP’ye ait zayıf bir yansıma var. Keskin pikler akım toplayıcı alüminyum folyoya ait. Beklenen bileşenler dışında yeni bir faz çıkmadı, yani mürekkep bileşenleri üretim sırasında kimyasal olarak bozunmadı.
Sonuç
Toksik organik çözücü kullanmadan, serigrafiyle basılabilen su bazlı bir mürekkep geliştirdik ve bununla çalışan, esnek bir süperkapasitör elektrodu ürettik. Bu çalışmadan çıkardıklarım:
- Bağlayıcının türü ve molekül ağırlığı mürekkebin viskozitesini ve basılan yüzeyin kalitesini belirliyor. Polimerlerin birbiriyle uyumu da ön denemelerle doğrulanmalı.
- Tekrarlanabilirlik için karıştırma süresi belirleyici, yetersiz karıştırma topaklanmaya yol açıyor.
Kaynaklar
- Conway, B. E. (1999). Electrochemical Supercapacitors: Scientific Fundamentals and Technological Applications. Kluwer Academic/Plenum Publishers. (Kitap, DOI yok)
- Simon, P., & Gogotsi, Y. (2008). Materials for electrochemical capacitors. Nature Materials, 7(11), 845–854. https://doi.org/10.1038/nmat2297
- Zhang, L. L., & Zhao, X. S. (2009). Carbon-based materials as supercapacitor electrodes. Chemical Society Reviews, 38(9), 2520–2531. https://doi.org/10.1039/b813846j
- Kaempgen, M., Chan, C. K., Ma, J., Cui, Y., & Gruner, G. (2009). Printable thin film supercapacitors using single-walled carbon nanotubes. Nano Letters, 9(5), 1872–1876. https://doi.org/10.1021/nl8038579
- Huang, Q., & Zhu, Y. (2019). Printing conductive nanomaterials for flexible and stretchable electronics: A review of materials, processes, and applications. Advanced Materials Technologies, 4(5), 1800546. https://doi.org/10.1002/admt.201800546
- Stoller, M. D., & Ruoff, R. S. (2010). Best practice methods for determining an electrode material’s performance for ultracapacitors. Energy & Environmental Science, 3(9), 1294–1301. https://doi.org/10.1039/c0ee00074d
A project I took part in as project partner within the TÜBİTAK 2209-A Research Projects Support Programme for University Students. It started on 7 April 2025 and was completed on 31 July 2026. The aim was to screen print supercapacitor electrodes for flexible electronics. To do that, we developed a water-based carbon ink with no toxic solvents, printed electrodes with it, assembled them into coin cells and measured them.
Background
Supercapacitors store energy in the electrical double layer that forms between the electrode and the electrolyte [1]. Because charging and discharging don’t rely on a chemical reaction, they offer higher power density than batteries and a much longer cycle life, in return for lower energy density [2]. The most common electrode materials are carbon-based ones, which have high surface area and are cheap [3]. Activated carbon is the main source of capacitance, while carbon black and graphene nanoplatelets (GNP) build a conductive network and lower the series resistance.
We chose screen printing to make the electrodes. It is low-cost and scalable, and gives control over the thickness and geometry of the printed film [4]. The hard part is the ink: its viscosity must drop under the squeegee and recover after printing. Conventional electrode production relies on toxic solvents such as NMP. We aimed for a water-based ink, using water-soluble polymers (PAA, PVA, PVP) as binders.
The trials
Most of the work was the ink trials from February to April 2026. We prepared many mixtures with activated carbon, carbon black or GNP and different binders (PAA, PVA, PVP) and looked at print quality. The turning points were:
- Binder choice (February–early April). Carbomer PAA (~150,000 molecular weight) didn’t mix homogeneously with the active material. PVA mixed quickly but left a granular surface and was incompatible with PAA, which we think comes from strong hydrogen bonding between the chains. The most stable ink came from SIGMA PAA with Mv ~450,000.
- Repeatability (14–15 April). We couldn’t get consistent results from the same recipe. The cause was carbon agglomeration from insufficient mixing. Raising the mixing time from about 3 hours to 12 hours fixed it. Because the surface stayed brittle, we added PVP as an auxiliary binder. The literature reports that PVP prevents agglomeration in carbon-based inks and improves film integrity [5].
- Final recipe (21–28 April). We used PVP and SIGMA PAA together and replaced carbon black with GNP. Drying speed, flexibility and surface were satisfying.
The final recipe
The binder is PVP with SIGMA PAA, the conductive additive is GNP and the solvent is deionised water. The mass ratio is 9.5:0.5:1 (activated carbon : GNP : binder). The printed film did not crack or delaminate when flexed. We also prepared and printed the recipe at three times the batch size, and saw no cracks or inhomogeneity, so the formulation scales. The electrodes were printed on aluminium foil in a 40×45 mm pattern, as several stacked prints, each dried at 80 °C.
Cell assembly and measurements
We cut the electrodes to CR2032 coin-cell size, wetted them with lithium perchlorate (LiClO4) electrolyte and assembled the cell with a separator. The first cell was built on 4 May 2026. On 5 May we measured it with a GAMRY Interface 1000, using electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and cyclic voltammetry (CV).
On a Nyquist plot, the high-frequency intercept gives the equivalent series resistance, and a near-vertical rise at low frequency shows capacitive behaviour. A near-rectangular CV curve indicates that energy storage happens mainly through the electric double-layer mechanism [6]. The measurements confirmed that the screen-printed electrodes work in a coin cell and show capacitive behaviour.
Structural characterisation
We examined the surface of the printed electrode by scanning electron microscopy (SEM, 15 kV) and its phase structure by X-ray diffraction (XRD). In the SEM image the activated carbon particles and GNP platelets form a porous network without cracks. This porous structure affects the surface area available to electrolyte ions, and therefore the double-layer capacitance [3]. The XRD pattern has a broad (002) hump from the amorphous structure of the activated carbon and a weak reflection from the GNP. The sharp peaks belong to the aluminium foil current collector. No new phase appeared beyond the expected components, so the ink components were not chemically degraded during production.
Conclusion
Without using toxic organic solvents, we developed a water-based ink that can be screen printed and made a working, flexible supercapacitor electrode with it. What I took from this work:
- The type and molecular weight of the binder decide the ink’s viscosity and the surface quality of the print. Compatibility between polymers should also be checked with preliminary trials.
- For repeatability, mixing time is decisive: insufficient mixing leads to agglomeration.
References
- Conway, B. E. (1999). Electrochemical Supercapacitors: Scientific Fundamentals and Technological Applications. Kluwer Academic/Plenum Publishers. (Book, no DOI)
- Simon, P., & Gogotsi, Y. (2008). Materials for electrochemical capacitors. Nature Materials, 7(11), 845–854. https://doi.org/10.1038/nmat2297
- Zhang, L. L., & Zhao, X. S. (2009). Carbon-based materials as supercapacitor electrodes. Chemical Society Reviews, 38(9), 2520–2531. https://doi.org/10.1039/b813846j
- Kaempgen, M., Chan, C. K., Ma, J., Cui, Y., & Gruner, G. (2009). Printable thin film supercapacitors using single-walled carbon nanotubes. Nano Letters, 9(5), 1872–1876. https://doi.org/10.1021/nl8038579
- Huang, Q., & Zhu, Y. (2019). Printing conductive nanomaterials for flexible and stretchable electronics: A review of materials, processes, and applications. Advanced Materials Technologies, 4(5), 1800546. https://doi.org/10.1002/admt.201800546
- Stoller, M. D., & Ruoff, R. S. (2010). Best practice methods for determining an electrode material’s performance for ultracapacitors. Energy & Environmental Science, 3(9), 1294–1301. https://doi.org/10.1039/c0ee00074d