सतह-मध्यस्थ बैटरी इलेक्ट्रिक वाहन को चार्ज करने में लगने वाले समय को केवल कुछ मिनट में पूरा कर सकती है

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सुपरकैपेसिटर और बैटरी की तुलना करें, जैसा कि सतह-मध्यस्थ बैटरी में दिखाया गया है जिसमें तीन अलग-अलग इलेक्ट्रोड मोटाई, उच्च शक्ति घनत्व और उच्च ऊर्जा घनत्व दोनों हैं। स्रोत: अमेरिकन केमिस्ट्री सोसाइटी कहां है, यह बैटरी तकनीक में एक सफलता की तरह है, लेकिन यह बैटरी नहीं है। नैनोटेकइंस्ट्रूमेंट्स, इंक.

और इसकी सहायक कंपनियां, एंगस्ट्रॉनमेटेरियल्स, इंक. ओहटन द्वारा विकसित नए विनिर्देश का उपयोग ऊर्जा भंडारण उपकरण डिजाइन करने के लिए किया जाता है, जो इलेक्ट्रोड में बड़ी संख्या में लिथियम आयनों के तेजी से शटल पर निर्भर करता है, इस इलेक्ट्रोड में एक बड़ी ग्राफीन सतह होती है। यह ऊर्जा भंडारण उपकरण इलेक्ट्रिक वाहनों के लिए बहुत उपयोगी साबित हो सकता है, जिससे चार्जिंग का समय घंटों से घटकर एक मिनट से भी कम हो सकता है।

अन्य अनुप्रयोगों में नवीकरणीय ऊर्जा भंडारण (जैसे, सौर और पवन ऊर्जा भंडारण) और स्मार्ट ग्रिड शामिल हो सकते हैं। शोधकर्ताओं ने कहा कि यह नया उपकरण ग्राफीन सतह कार्य के लिए लिथियम आयन एक्सचेंज बैटरी है, या अधिक सरल शब्दों में कहें तो सतह-मध्यस्थ बैटरी (SMCS: Surface-Mediatedcells) है। यद्यपि वर्तमान उपकरण बिना खोली गई सामग्रियों और संरचनाओं का उपयोग करते हैं, फिर भी वे पहले से ही लिथियम-आयन बैटरी और सुपरकैपेसिटर से आगे निकल सकते हैं।

यह नया उपकरण प्रति किलोवाट बैटरी 100 किलोवाट की आपूर्ति कर सकता है, जो वाणिज्यिक लिथियम-आयन बैटरियों से 100 गुना अधिक है, तथा सुपरकैपेसिटर से 10 गुना अधिक है। शक्ति घनत्व जितना अधिक होगा, ऊर्जा स्थानांतरण की गति उतनी ही तेज होगी (जिसके परिणामस्वरूप चार्जिंग की गति भी तेज हो सकती है)। इसके अलावा, यह नई बैटरी प्रति किलोग्राम बैटरी में 160 वाट की ऊर्जा घनत्व संग्रहित कर सकती है, जो कि व्यावसायिक लिथियम-आयन बैटरी के बराबर है, तथा पारंपरिक सुपरकैपेसिटर से 30 गुना अधिक है।

ऊर्जा घनत्व जितना अधिक होगा, उतनी अधिक ऊर्जा संग्रहित की जा सकेगी, और अधिक ऊर्जा संग्रहित होगी (विद्युत वाहनों की लम्बी दूरी तक चलने की क्षमता के साथ)। यदि समान उपकरण वजन है, तो वर्तमान सतह-मध्यस्थ बैटरी और लिथियम-आयन बैटरी का उपयोग इलेक्ट्रिक वाहनों के लिए किया जा सकता है, और नैनो इंस्ट्रूमेंट और एंगरस्ट्रॉन मैटेरियल्स कंपनी के संयुक्त संस्थापक जियांग बाउज़ (बोरज़.जंग) यह कहा जाता है कि हमारी सतह-मध्यस्थ बैटरी वर्तमान लिथियम-आयन बैटरी के समान है, ऊर्जा घनत्व को और बढ़ा सकती है, इसलिए यह यात्रा कार्यक्रम में भी सुधार कर सकती है।

हालांकि, सिद्धांत रूप में, सतह-मध्यस्थ बैटरियों को घंटों के बजाय कुछ ही मिनटों (एक मिनट से कम नहीं) में चार्ज किया जा सकता है, ठीक वैसे ही जैसे इलेक्ट्रिक वाहनों में उपयोग की जाने वाली लिथियम-आयन बैटरी को चार्ज किया जाता है। जियांग बौल्ड्ज़ और नैनोटेक्नोलॉजी इंस्ट्रूमेंट कंपनी लिमिटेड में उनके साझेदार।

और एंगर्समिया मटेरियल कंपनी ने यह अध्ययन प्रकाशित किया है, जो कि अगली पीढ़ी के ऊर्जा भंडारण उपकरणों का अध्ययन है, जिसे सबसे हालिया "नैनो एक्सप्रेस" (नैनोलेटर्स) में प्रकाशित किया गया है। दोनों कंपनियां नैनोमटेरियल के व्यावसायीकरण में विशेषज्ञता रखती हैं, एंगरस्ट्रांग दुनिया की सबसे बड़ी नैनो-ग्रेनाइट (एनजीपीएस: नैनोग्राफीनप्लेटलेट्स) निर्माता है। जैसा कि शोधकर्ताओं ने अपने शोध में बताया है, ऊर्जा भंडारण, बैटरी और सुपरकैपेसिटर में अपनी ताकत और कमजोरियां हैं।

यद्यपि लिथियम आयन बैटरी (120-150 वाट / किग्रा) की ऊर्जा घनत्व सुपरकैपेसिटर (5 वाट / किग्रा) की तुलना में बहुत अधिक है, इस बैटरी का पावर घनत्व कम है (1 किलोवाट / किग्रा बैटरी, 10 किलोवाट / किग्रा बैटरी की तुलना में)। कई शोध टीमों ने लिथियम-आयन बैटरी की शक्ति घनत्व को जोड़ने, सुपरकैपेसिटर की ऊर्जा घनत्व में सुधार करने के प्रयास किए हैं, लेकिन इन दोनों क्षेत्रों में अभी भी बड़ी चुनौतियां हैं। क्योंकि एक नया ढांचा प्रदान किया गया है, इसका उपयोग ऊर्जा भंडारण उपकरणों के लिए किया जा सकता है, इसलिए यह सतह-मध्यस्थ बैटरी शोधकर्ताओं को इन चुनौतियों से बचने की अनुमति देती है।

जियांग बाउज़ ने कहा कि इस नए ऊर्जा भंडारण उपकरण को विकसित करने से लिथियम आयन बैटरी और सुपरकैपेसिटर के प्रदर्शन के बीच का अंतर कम हो जाएगा। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि ऊर्जा भंडारण उपकरणों के निर्माण के लिए यह मौलिक रूप से नया ढांचा, शोधकर्ताओं को एक के लिए दूसरे का त्याग किए बिना, उच्च ऊर्जा घनत्व, साथ ही उच्च शक्ति घनत्व प्राप्त करने में सक्षम बनाता है। सतह-मध्यस्थ बैटरी इलेक्ट्रोड का सतह क्षेत्र बड़ा होता है, जिससे बड़ी मात्रा में आयन शीघ्रता से प्रवाहित होते हैं, जिससे चार्जिंग समय तेज हो जाता है।

स्रोत: अमेरिकन केमिस्ट्री के अनुसार सतह-मध्यस्थ बैटरी के प्रदर्शन की कुंजी यह है कि कैथोड और एनोड में बहुत बड़ी ग्राफीन सतह होती है। बैटरी का निर्माण करते समय, शोधकर्ता एनोड में लिथियम धातु (कणों या धातु की पन्नी के रूप में) डालते हैं। पहले डिस्चार्ज चक्र में, लिथियम आयनित होता है, लिथियम आयन बैटरी की तुलना में लिथियम आयनों की संख्या अधिक होती है।

जब बैटरी का उपयोग किया जाता है, तो ये आयन तरल इलेक्ट्रोलाइट के माध्यम से कैथोड में चले जाते हैं, तथा कैथोड के छिद्रों में प्रवेश कर कैथोड में स्थित बड़ी ग्राफीन सतह तक पहुंच जाते हैं। चार्जिंग प्रक्रिया के दौरान, लिथियम आयन फ्लक्स की एक बड़ी मात्रा तेजी से कैथोड से एनोड की ओर स्थानांतरित हो जाती है। बहुत बड़ा इलेक्ट्रोड सतह क्षेत्र, जिससे बड़ी मात्रा में आयन शीघ्रता से शटल हो जाते हैं, उच्च शक्ति और ऊर्जा घनत्व।

शोधकर्ताओं ने बताया कि छिद्रयुक्त इलेक्ट्रोड की सतह (बैटरी में बैटरी की तरह ब्लॉक इलेक्ट्रोड के बजाय) में सम्मिलन प्रक्रिया में अधिक समय नहीं लगता है। इस प्रक्रिया के दौरान, इलेक्ट्रोडों के बीच लिथियम आयनों को डाला जाना आवश्यक है, जो बैटरी चार्जिंग का एक महत्वपूर्ण समय होता है। इस अध्ययन में, हालांकि शोधकर्ताओं ने बड़ी संख्या में विभिन्न प्रकार के ग्रेफाइट का उपयोग किया, विभिन्न प्रकार के ग्रेफीन (ऑक्सीडाइज्ड, कम एकल-परत और बहु-परत ग्रेफीन) तैयार किए गए, लेकिन इस उपकरण को अनुकूलित करने के लिए इन सामग्रियों और विन्यासों का आगे विश्लेषण किया गया।

एक ओर, शोधकर्ता इस बैटरी के जीवन चक्र का आगे अध्ययन करने की योजना बना रहे हैं। अब तक उन्होंने पाया है कि ये उपकरण 1000 चक्रों के बाद 95% क्षमता बरकरार रख सकते हैं, यहां तक ​​कि 2000 चक्रों के बाद भी डेन्ड्राइट का कोई संकेत नहीं मिलता है। शोधकर्ताओं ने उपकरण के प्रदर्शन के सापेक्ष विभिन्न लिथियम भंडारण तंत्रों पर भी चर्चा करने की योजना बनाई है।

जियांग बाउज़ ने कहा, हमारा अनुमान है कि सतह-मध्यस्थ बैटरी प्रौद्योगिकी के व्यावसायीकरण में कोई बड़ी बाधा नहीं आएगी। यद्यपि वर्तमान में ग्राफीन उच्च कीमत पर बेचा जाता है, एंगरस्ट्रॉन मैटेरियल्स कंपनी सक्रिय रूप से ग्राफीन की उत्पादन क्षमता का विस्तार कर रही है। उम्मीद है कि अगले 1-3 वर्षों में ग्रेफाइट की उत्पादन लागत में काफी कमी आएगी।