High-energy supercapacitor constructed of La-doped ZnFe₂O₄ positive electrode material and hydrophilic carbon nanotube negative electrode
यह अध्ययन माइक्रोवेव-सहायता प्राप्त 0.5% La-डोप्ड ZnFe₂O₄ को कैथोड के रूप में और हाइड्रोफिलिक कार्बन नैनोट्यूब को एनोड के रूप में उपयोग करके एक उच्च-ऊर्जा-घनत्व वाले असममित सुपरकैपेसिटर के निर्माण को प्रदर्शित करता है, जो 426 F/g का विशिष्ट धारिता (स्पेसिफिक कैपेसिटेंस) प्रदान करता है और 10,000 चक्रों के बाद 83.2% प्रतिधारण (रिटेंशन) बनाए रखता है।
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आधुनिक दुनिया में, स्वच्छ और पोर्टेबल ऊर्जा की मांग पहले से कहीं अधिक तेजी से बढ़ रही है। हम स्मार्टफोन से लेकर इलेक्ट्रिक कारों तक सब कुछ चलाने के लिए बैटरियों पर निर्भर हैं, लेकिन पारंपरिक बैटरियों की एक सीमा है: उन्हें चार्ज होने में लंबा समय लगता है और वे अक्सर उच्च-शक्ति वाले कार्यों के लिए अपनी ऊर्जा को पर्याप्त तेजी से मुक्त नहीं कर पाती हैं। यहीं पर सुपरकैपेसिटर (supercapacitors) काम आते हैं। उन्हें ऊर्जा की दुनिया के 'स्प्रिंटर' (तेज धावक) के रूप में समझें। बैटरियों के विपरीत, जो अपनी संरचना के भीतर गहरे रासायनिक परिवर्तनों के माध्यम से ऊर्जा संग्रहीत करती हैं, सुपरकैपेसिटर अपनी सामग्रियों की सतह पर ऊर्जा संग्रहीत करते हैं, जिससे वे कुछ ही सेकंडों में चार्ज और डिस्चार्ज हो सकते हैं। हालांकि, ऐतिहासिक रूप से उन्हें बैटरियों की तरह कुल ऊर्जा को अधिक मात्रा में रखने में संघर्ष करना पड़ा है। वैज्ञानिकों के लिए चुनौती एक ऐसा सुपरकैपेसिटर बनाने की है जो तेज और शक्तिशाली दोनों हो, जो अपनी गति से समझौता किए बिना बड़ी मात्रा में ऊर्जा संग्रहीत करने में सक्षम हो। ऐसा करने के लिए, शोधकर्ताओं को उपकरण के भीतर की सूक्ष्म सामग्रियों को इस तरह इंजीनियर करना होगा कि उनमें अधिक सतह क्षेत्र (surface area) और बिजली के प्रवाह के लिए बेहतर मार्ग हों।
हारबिन यूनिवर्सिटी ऑफ कॉमर्स के शोधकर्ताओं की एक टीम ने दो अलग-अलग सामग्रियों को मिलाकर प्रदर्शन को अधिकतम करने वाला एक नया प्रकार का सुपरकैपेसिटर बनाकर इस समस्या को हल करने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है। उन्होंने जिंक फेराइट (zinc ferrite) नामक यौगिक से बने एक धनात्मक इलेक्ट्रोड (positive electrode) पर ध्यान केंद्रित किया, जो ऊर्जा संग्रहीत करने की अपनी क्षमता के लिए जाना जाता है लेकिन अक्सर खराब विद्युत चालकता (electrical conductivity) से जूझता है। इसे ठीक करने के लिए, टीम ने लैंथेनम (lanthanum) नामक एक दुर्लभ मृदा तत्व (rare earth element) की थोड़ी मात्रा जोड़कर सामग्री को संशोधित किया। यह प्रक्रिया, जिसे डोपिंग (doping) कहा जाता है, यादृच्छिक रूप से नहीं की गई थी; शोधकर्ताओं ने सही संतुलन खोजने के लिए लैंथेनम को जोड़ने के समय और मात्रा को सावधानीपूर्वक नियंत्रित किया। उन्होंने पाया कि 0.5% लैंथेनम सामग्री के साथ सामग्री को बारह घंटों तक उपचारित करने से एक अद्वितीय, फ्लेक जैसी (flake-like) संरचना बन गई। सूक्ष्मदर्शी के नीचे, यह सामग्री चिकने गोलों के बजाय पतली, खुरदरी शीटों के ढेर की तरह दिखाई दी। यह खुरदरा, स्तरित आकार महत्वपूर्ण है क्योंकि यह रासायनिक प्रतिक्रियाओं के होने के लिए सतह क्षेत्र का एक विशाल भंडार प्रदान करता है, जो प्रभावी रूप से सामग्री को विद्युत आवेश के लिए अधिक "पार्किंग स्पॉट" देता है।
शोधकर्ताओं ने कार्बन नैनोट्यूब (carbon nanotubes) का उपयोग करके उपकरण के नकारात्मक पक्ष को भी इंजीनियर किया, जो कार्बन से बनी अविश्वसनीय रूप से पतली, खोखली नलियां हैं। हालांकि ये नलिकाएं स्वाभाविक रूप से मजबूत और सुचालक होती हैं, टीम ने उन्हें हाइड्रोफिलिक (hydrophilic) बनाने के लिए उपचारित किया, जिसका अर्थ है कि वे पानी के प्रति आकर्षित होती हैं। ट्यूबों की सतह पर विशिष्ट रासायनिक समूहों को जोड़कर, उन्होंने यह सुनिश्चित किया कि तरल इलेक्ट्रोलाइट—नमक वाले पानी का घोल जो इलेक्ट्रोडों के बीच आयनों को ले जाता है—सामग्री को पूरी तरह से भिगो सके। यह प्रतिरोध को कम करता है और आयनों को स्वतंत्र रूप से और तेजी से घूमने की अनुमति देता है। जब इन दोनों अनुकूलित सामग्रियों को एक असममित सुपरकैपेसिटर (asymmetric supercapacitor) में एक साथ जोड़ा गया, तो परिणाम प्रभावशाली थे। उपकरण ने ऊर्जा संग्रहीत करने की उच्च क्षमता प्रदर्शित की, जिसमें अकेले धनात्मक इलेक्ट्रोड ने प्रति ग्राम 426 यूनिट कैपेसिटेंस (capacitance) धारण किया। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि ऊर्जा भंडारण तंत्र सतह-नियंत्रित प्रतिक्रियाओं (surface reactions) द्वारा संचालित था न कि धीमी विसरण (diffusion) प्रक्रिया द्वारा, जिसका अर्थ था कि उपकरण दक्षता खोए बिना तेजी से चार्ज और डिस्चार्ज हो सकता था।
इस नए उपकरण के प्रदर्शन का परीक्षण कठोर परिस्थितियों में किया गया ताकि यह देखा जा सके कि यह समय के साथ और तनाव के तहत कैसा प्रदर्शन करता है। जब सुपरकैपेसिटर को उच्च गति पर चार्ज और डिस्चार्ज किया गया, तो इसने ऊर्जा संग्रहीत करने की मजबूत क्षमता बनाए रखी, जिससे यह सिद्ध हुआ कि सतह-नियंत्रित तंत्र (surface-controlled mechanism) इच्छानुसार काम कर रहा था। उच्च करंट पर दस हजार बार चक्रित (cycled) होने के बाद भी, उपकरण ने अपनी मूल क्षमता का 83% से अधिक हिस्सा बनाए रखा, जो दर्शाता है कि सामग्रियां स्थिर और टिकाऊ थीं। अंतिम उपकरण ने ऊर्जा घनत्व (energy density), जो यह बताता है कि वह कितनी शक्ति रख सकता है, और शक्ति घनत्व (power density), जो यह बताता है कि वह कितनी तेजी से उस शक्ति को छोड़ सकता है, के मामले में कई समान ऊर्जा भंडारण प्रणालियों को पछाड़ दिया। लैंथेम-डोप्ड जिंक फेराइट धनात्मक इलेक्ट्रोड के साथ हाइड्रोफिलिक कार्बन नैनोट्यूब को सफलतापूर्वक जोड़कर, शोधकर्ताओं ने सुपरकैपासिटर्स की एक नई पीढ़ी के लिए एक खाका तैयार किया है जो एक दिन वर्तमान तकनीकों की तुलना में अधिक गति और दक्षता के साथ इलेक्ट्रिक वाहनों और पोर्टेबल इलेक्ट्रॉनिक्स को शक्ति दे सकते हैं।
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