Atmosphere-Controlled Aqueous Sodium-Ion Storage Kinetics in Na 3.64 Ni 2.18 (P 2 O 7 ) 2 Cathode for Hybrid Capacitor
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि दहन (combustion) के माध्यम से संश्लेषित एक आर्गन-कैलसाइंड (argon-calcined), ऑफ-स्टोइकीओमेट्रिक Na₃.₆₄Ni₂.₁₈(P₂O₇)₂ कैथोड जलीय सोडियम-आयन संधारित्रों (aqueous sodium-ion capacitors) में उत्कृष्ट इलेक्ट्रोकेमिकल प्रदर्शन प्रदर्शित करता है, जो उच्च ऊर्जा और शक्ति घनत्व के साथ उत्कृष्ट चक्र स्थिरता प्राप्त करता है, एक ऐसा निष्कर्ष जिसे इसके चार्ज-स्टोरेज काइनेटिक्स के COMSOL मल्टीफिजिक्स सिमुलेशन द्वारा और अधिक पुष्ट किया गया है।
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ऊर्जा के लिए दुनिया की भूख हमारी इसे संग्रहीत करने की क्षमता से कहीं अधिक तेजी से बढ़ रही है। हमें ऐसे उपकरणों की आवश्यकता है जो लंबे समय तक बहुत अधिक शक्ति को रोक कर रख सकें, जैसे कि एक बैटरी, लेकिन साथ ही उस शक्ति को तुरंत मुक्त भी कर सकें, जैसे कि एक कैपेसिटर। दशकों से, लिथियम-आयन बैटरियां स्वर्ण मानक रही हैं, लेकिन जिस लिथियम पर वे निर्भर करती हैं, वह दुर्लभ और महंगी होती जा रही है। इसने वैज्ञानिकों को सोडियम की ओर देखने के लिए प्रेरित किया है, जो पृथ्वी की पपड़ी में प्रचुर मात्रा में है और खोजने में सस्ता है। सोडियम-आयन उपकरण एक आशाजनक विकल्प प्रदान करते हैं, लेकिन उन्हें एक चुनौती का सामना करना पड़ता है: सोडियम आयन लिथियम आयनों की तुलना में बड़े होते हैं, जिससे उन्हें बैटरी के भीतर के पदार्थों के माध्यम से तेजी से घूमना कठिन हो जाता है। इस समस्या को हल करने के लिए, शोधकर्ता ऐसे हाइब्रिड उपकरण बनाने की कोशिश कर रहे हैं जो बैटरी और सुपरकैपेसिटर दोनों के सर्वोत्तम गुणों को जोड़ते हैं, जिसमें सोडियम का उपयोग ऊर्जा को कुशलतापूर्वक संग्रहीत करने और उसे तेजी से मुक्त करने के लिए किया जाता है।
हाल ही में एक अध्ययन में, भारत में शोधकर्ताओं की एक टीम ने ऐसे हाइब्रिड उपकरण के धनात्मक पक्ष, या कैथोड, के रूप में कार्य करने के लिए एक विशिष्ट सामग्री बनाने पर ध्यान केंद्रित किया। उन्होंने सोडियम, निकल और एक विशिष्ट प्रकार की फॉस्फेट संरचना से बने यौगिक को चुना। उनके काम की कुंजी न केवल सामग्री बनाना था, बल्कि उस वातावरण को नियंत्रित करना था जिसमें इसे पकाया गया था। उन्होंने एक दहन विधि (कम्बशन मेथड) का उपयोग करके सामग्री का संश्लेषण किया, जिसका अर्थ है रसायनों को पानी में मिलाना और उन्हें तब तक गर्म करना जब तक कि वे ठोस पाउडर बनाने के लिए हिंसक रूप से प्रतिक्रिया न करें। यह देखने के लिए कि वातावरण ने अंतिम उत्पाद को कैसे प्रभावित किया, उन्होंने प्रक्रिया को दो पथों में विभाजित किया। एक बैच को सामान्य हवा में गर्म किया गया, जबकि दूसरे को आर्गन से भरे एक सीलबंद कक्ष में गर्म किया गया, जो एक अक्रिय गैस है जो ऑक्सीजन को सामग्री के साथ परस्पर क्रिया करने से रोकती है।
शोधकर्ताओं ने पाया कि इस ताप प्रक्रिया के दौरान उपयोग किए गए वातावरण ने सामग्री की आंतरिक संरचना और प्रदर्शन में नाटकीय अंतर पैदा किया। जब उन्होंने आर्गन में पकाई गई सामग्री का परीक्षण किया, तो उन्होंने पाया कि इसमें दो अलग-अलग अवस्थाओं में निकल परमाणुओं का मिश्रण था, जिसने इलेक्ट्रॉनों को अधिक स्वतंत्र रूप से बहने में मदद की। आर्गन-उपचारित नमूने ने स्थानीय जाली विरूपण (लैटिस डिस्टॉर्शन) और दोष स्थलों (डिफेक्ट साइट्स) के प्रवेश के संकेत दिखाए, जिससे एक ऑक्सीजन-अभाव वाला वातावरण बना जिसने इलेक्ट्रॉन होपिंग (इलेक्ट्रॉन के कूदने की प्रक्रिया) को सुगम बनाया। इसके विपरीत, हवा में पकाई गई सामग्री में इन विशिष्ट संरचनात्मक संशोधनों का अभाव था। टीम ने पुष्टि करने के लिए कि आर्गन-बेक्ड संस्करण में ये अनुकूलित दोष स्थल और वैलेंस अवस्थाएं मौजूद हैं, शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी और स्पेक्ट्रोस्कोपी उपकरणों का उपयोग किया, जो चार्जिंग और डिस्चार्जिंग के दौरान सोडियम आयनों को सामग्री में तेजी से प्रवेश करने और बाहर निकलने के लिए महत्वपूर्ण हैं।
यह परीक्षण करने के लिए कि क्या यह सामग्री वास्तव में एक वास्तविक उपकरण में काम कर सकती है, वैज्ञानिकों ने एक हाइब्रिड कैपेसिटर बनाया। उन्होंने अपने नए सोडियम-निकल कैथोड को एक मानक कार्बन-आधारित एनोड के साथ जोड़ा और पूरे असेंबली को एक तरल इलेक्ट्रोलाइट में भिगो दिया। जब उन्होंने उपकरण का परीक्षण किया, तो हवा में बनाए गए संस्करण की तुलना में आर्गन-बेक्ड सामग्री से बने संस्करण ने काफी बेहतर प्रदर्शन किया। आर्गन-बेक्ड उपकरण अधिक ऊर्जा संग्रहीत कर सका और उच्च दर पर इसे वितरित कर सका। विशेष रूप से, इसने 38 वाट-घंटा प्रति किलोग्राम की ऊर्जा घनत्व और 489 वाट प्रति किलोग्राम की शक्ति घनत्व प्राप्त की। ये संख्याएं महत्वपूर्ण हैं क्योंकि वे दिखाती हैं कि उपकरण एक बड़ी मात्रा में ऊर्जा को धारण कर सकता है और फिर भी इसे तेजी से छोड़ने में सक्षम है, जो एक ऐसा संतुलन है जिसे प्राप्त करना कठिन है।
डिवाइस का स्थायित्व भी एक प्रमुख केंद्र था। शोधकर्ताओं ने यह देखने के लिए कि यह समय के साथ कितनी अच्छी तरह टिकता है, कैपेसिटर को दो हजार चार्ज और डिस्चार्ज चक्रों के माध्यम से चलाया। आर्गन-बेक्ड सामग्री का उपयोग करने वाले उपकरण ने उन सभी चक्रों के बाद अपनी मूल क्षमता का 86 प्रतिशत बनाए रखा, जिससे यह सिद्ध हुआ कि यह सामग्री दीर्घकालिक उपयोग के लिए पर्याप्त मजबूत है। टीम ने भौतिक प्रयोगों के साथ मिलान करने के लिए डिवाइस के भीतर आयनों की गति को मॉडल करने के लिए कंप्यूटर सिमुलेशन का भी उपयोग किया, जिससे पुष्टि हुई कि बेहतर प्रदर्शन तेज़ आयन परिवहन और बेहतर विद्युत चालकता के कारण था। यह अध्ययन बताता है कि केवल निर्माण प्रक्रिया के दौरान वातावरण को बदलकर, वैज्ञानिक सोडियम-आधारित ऊर्जा भंडारण की दक्षता और जीवनकाल में महत्वपूर्ण सुधार कर सकते हैं, जो अधिक टिकाऊ और शक्तिशाली ऊर्जा प्रणालियों की ओर एक व्यवहार्य मार्ग प्रदान करता है।
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