ग्राफीन सुपरकैपेसिटर

कैपेसिटर मुख्य रूप से चार्ज स्टोरेज डिवाइस हैं, लेकिन बैटरी की तुलना में, उनमें चार्ज स्टोर करने की क्षमता काफी कम होती है। हालाँकि, उनका जीवन काल बैटरियों की तुलना में कहीं अधिक है, कैपेसिटर के काम करने का मूल सिद्धांत एक ही है, बावजूद इसके कि उन्हें उनके आंतरिक निर्माण के आधार पर विभिन्न श्रेणियों में विभाजित किया गया है। ग्राफीन कैपेसिटर एक प्रकार का सुपरकैपेसिटर है जिसमें ग्राफीन की परतें होती हैं जो इलेक्ट्रॉनों की अधिक मुक्त गति प्रदान करती हैं और प्रभावी तरीके से गर्मी अपव्यय की अनुमति देती हैं।

रूपरेखा:

• सुपरकैपेसिटर क्या हैं?
• सुपरकैपेसिटर का कार्य करना
• ग्राफीन सुपरकैपेसिटर
• सुपरकैपेसिटर में ग्राफीन-आधारित इलेक्ट्रोड
• लेजर लेखन द्वारा निर्माण
• ग्राफीन फोम द्वारा निर्माण
• ग्राफीन-आधारित सुपरकैपेसिटर प्रदर्शन
• निष्कर्ष

सुपरकैपेसिटर क्या हैं?

ग्राफीन कैपेसिटर को समझने के लिए सुपरकैपेसिटर के बारे में जानकारी होना आवश्यक है क्योंकि ग्राफीन कैपेसिटर भी सुपर कैपेसिटर की श्रेणी में आता है। सामान्य कैपेसिटर के विपरीत, सपर कैपेसिटर की एक अलग आंतरिक संरचना होती है, जो उनके गुणों को भी प्रभावित करती है। सुपरकैपेसिटर में इलेक्ट्रोलाइट्स होते हैं जो एक इन्सुलेशन माध्यम से अलग होते हैं और सक्रिय कार्बन इलेक्ट्रोड होते हैं जो इलेक्ट्रोलाइट के संपर्क में होते हैं। इलेक्ट्रोलाइट मुख्य रूप से सल्फ्यूरिक एसिड या पोटेशियम ऑक्साइड होता है, और विभाजक आमतौर पर कैप्टन होता है:

सुपरकैपेसिटर का कार्य करना

जब एक सुपरकैपेसिटर किसी भी पावर स्रोत से जुड़ा नहीं होता है, तो उनकी ध्रुवीयता के बावजूद चार्ज इलेक्ट्रोलाइट में बिखरे हुए होते हैं, जब पावर स्रोत इससे जुड़ा होता है तो कैपेसिटर से करंट प्रवाहित होने लगता है, और जैसे ही एनोड को सकारात्मक चार्ज मिलता है इलेक्ट्रोलाइट में नकारात्मक आयन एनोड इलेक्ट्रोड की ओर बढ़ते हैं। जबकि कैथोड नकारात्मक रूप से चार्ज हो जाता है और सभी सकारात्मक आयन कैथोड की ओर चले जाते हैं:

इलेक्ट्रोड और इलेक्ट्रोलाइट के बीच आकर्षण का यह बल इलेक्ट्रोस्टैटिक बल है और इलेक्ट्रोड के प्रति आयनों का यह आकर्षण विद्युत दोहरी परत के निर्माण का कारण बनता है। यह परत आवेशों के भंडारण के लिए जिम्मेदार है और इस परत के निर्माण के कारण सुपरकैपेसिटर को इलेक्ट्रिकल डबल-लेयर कैपेसिटर भी कहा जाता है।

इस प्रकार सुपरकैपेसिटर को चार्ज किया जाता है और जब कोई लोड सुपरकैपेसिटर के टर्मिनलों से जुड़ा होता है तो इलेक्ट्रोड पर चार्ज लोड से प्रवाहित होने लगता है। इस तरह दोनों इलेक्ट्रोड चार्ज खोना शुरू कर देते हैं क्योंकि वे चार्ज को आकर्षित करने में असमर्थ होते हैं और परिणामस्वरूप जब सभी चार्ज इलेक्ट्रोड छोड़ देते हैं तो कैपेसिटर डिस्चार्ज हो जाता है।

तो अब आयन फिर से इलेक्ट्रोलाइट्स में बिखरे हुए हैं, और एक साधारण सुपरकैपेसिटर इसी तरह काम करता है।

ग्राफीन सुपरकैपेसिटर

ग्राफीन ग्रेफाइट से आता है जो ज्यादातर पेंसिल के अंदर होता है और कार्बन का एक इलेक्ट्रोड होता है जिसमें परमाणुओं की संख्या समान होती है, लेकिन इन्हें अलग तरह से व्यवस्थित किया जाता है। ग्रेफाइट के विपरीत, ग्रेफीन में एक द्वि-आयामी एकल-परमाणु परत होती है जो हेक्सागोनल छत्ते के आकार में व्यवस्थित होती है। यह संरचना परमाणुओं को मजबूत सहसंयोजक बंधन बनाने की अनुमति देती है जो इसे उच्च तन्यता ताकत और उच्च लचीलापन प्रदान करती है। इन गुणों के कारण, ग्राफीन इलेक्ट्रॉनों को स्वतंत्र रूप से घूमने और उच्च विद्युत चालकता की अनुमति देता है।

चूँकि सुपरकैपेसिटर की प्लेटों के बीच की दूरी कम होती है जो उन्हें अधिक स्थिर चार्ज संग्रहीत करने की अनुमति देती है, ग्राफीन में एल्यूमीनियम परत की तुलना में एक बहुत पतली परत होती है जो एक परमाणु के आकार की होती है। इस प्रकार, ग्राफीन कैपेसिटर का सतह क्षेत्र काफी अधिक होता है, जो इसे अन्य सुपरकैपेसिटर की तुलना में अधिक ऊर्जा संग्रहीत करने की अनुमति देता है।

सुपरकैपेसिटर में ग्राफीन-आधारित इलेक्ट्रोड

जैसा कि ऊपर बताया गया है ग्राफीन एक बड़ा सतह क्षेत्र प्रदान करता है जो चार्ज भंडारण के लिए संधारित्र की क्षमता को बढ़ाता है। ग्राफीन का उपयोग करके इलेक्ट्रोड के निर्माण के लिए विभिन्न तकनीकों का उपयोग किया जाता है और उनमें से दो हैं:

• ग्राफीन फोम द्वारा निर्माण
• लेजर लेखन द्वारा निर्माण

ग्राफीन फोम द्वारा निर्माण

ग्राफीन फोम का उपयोग करके बनाया गया ग्राफीन इलेक्ट्रोड उच्च चालकता, हल्का और लचीला इलेक्ट्रोड प्रदान करता है जिसका क्षेत्र कई सेमी तक बढ़ाया जा सकता है ² और ऊँचाई कई मिलीमीटर तक। ग्राफीन फोम को रासायनिक वाष्प जमाव तकनीक द्वारा निकल या तांबे के फोम पर विकसित करके बनाया जाता है। जब तांबे के फोम पर ग्राफीन फोम बनाया जाता है तो यह उच्च गुणवत्ता वाली ग्राफीन परत का उत्पादन करता है, लेकिन धातु का समर्थन हटा दिए जाने पर संरचना आसानी से ढह सकती है। हालाँकि, इसके बजाय एक निकेल फोम का उपयोग एक बहुपरत ग्राफीन परत बनाने के लिए किया जा सकता है जिसे बिना किसी क्षति के धातु के समर्थन से सावधानीपूर्वक खींचा जा सकता है। इसके अलावा, इस रासायनिक संश्लेषण का उपयोग करके निकेल फोम के माध्यम से कम ग्राफीन ऑक्साइड भी बनाया जा सकता है। ग्राफीन के साथ कुछ एडिटिव्स का उपयोग किया जाता है जो उच्च शक्ति घनत्व प्राप्त करने में मदद करते हैं और इलेक्ट्रॉनों और आयनों के लिए छोटे पथ प्रदान करते हैं जिससे चार्ज की गति बढ़ जाती है। ये योजक धातु ऑक्साइड, प्रवाहकीय पॉलिमर और धातु हाइड्रॉक्साइड हो सकते हैं, जो ग्राफीन-आधारित इलेक्ट्रोड के निर्माण को कम महंगा बनाते हैं।

उपरोक्त छवि रासायनिक वाष्प जमाव विधि का उपयोग करके ग्राफीन परत बनाने की प्रक्रिया को दर्शाती है।

लेजर लेखन द्वारा निर्माण

लेजर लेखन विधि तुलनात्मक रूप से कम महंगी है और बड़े क्षेत्र में कमी की तकनीक को कम करके एक ही चरण में 3डी छिद्रपूर्ण ग्राफीन का उत्पादन करती है। इस विधि में सबसे पहले, ग्राफीन की एक पतली परत टेम्पलेट पर जमा की जाती है, और फिर वाणिज्यिक लेजर ग्राफीन ऑक्साइड परत को विकिरणित करता है। जब ग्राफीन ऑक्साइड पर लेज़र प्रकाश आपतित होता है तो यह एक्सपोज़र क्षेत्र में छिद्रपूर्ण प्रवाहकीय सामग्री बनाता है।

परिणामस्वरूप, इलेक्ट्रोलाइट आयनों के लिए सतह क्षेत्र बढ़ जाता है और ऑक्सीजन सामग्री काफी कम हो जाती है। पिछली विधि की तरह, कुछ एडिटिव्स का उपयोग सीधे लेजर लेखन में किया जा सकता है यानी सब्सट्रेट ग्राफीन ऑक्साइड और पॉलिमर का मिश्रण हो सकता है या सब्सट्रेट केवल पॉलिमर भी हो सकता है। यहां एक छवि है जो प्रत्यक्ष लेजर लेखन की प्रक्रिया को दर्शाती है:

ग्राफीन-आधारित सुपरकैपेसिटर प्रदर्शन

ग्राफीन कैपेसिटर में प्रभावी इलेक्ट्रॉन और आयन स्थानांतरण होता है, जिसके परिणामस्वरूप उच्च ग्रेविमेट्रिक और वॉल्यूमेट्रिक क्षमता होती है। इसके अलावा, वे उच्च चक्र दर स्थिरता और उच्च ऊर्जा क्षमता प्रदर्शित करते हैं।

विभिन्न ऊर्जा भंडारण उपकरणों के प्रदर्शन और व्यवहार का अध्ययन करने के लिए एक रैगोन प्लॉट का उपयोग किया जाता है जिसमें विशिष्ट ऊर्जा (W/Kg) के विरुद्ध विशिष्ट ऊर्जा (Wh/Kg) का मान प्लॉट किया जाता है। ग्राफ़ दोनों अक्षों के लिए लॉग स्केल का उपयोग करता है। Y-अक्ष विशिष्ट ऊर्जा को मापता है, जो प्रति इकाई द्रव्यमान ऊर्जा की मात्रा है। एक्स-अक्ष शक्ति घनत्व को मापता है, जो प्रति इकाई द्रव्यमान ऊर्जा वितरण की दर है।

रैगोन प्लॉट में एक बिंदु इस प्रकार दूसरे शब्दों में उस समय की मात्रा देता है जिसके दौरान y-अक्ष पर ऊर्जा (प्रति इकाई द्रव्यमान) को x-अक्ष पर शक्ति (प्रति इकाई द्रव्यमान) में वितरित किया जा सकता है, और वह समय ( एक घंटे में) ऊर्जा और बिजली घनत्व के बीच अनुपात के रूप में दिया जाता है। इसके बाद, रैगोन प्लॉट में आइसो-वक्र (निरंतर वितरण समय) एक एकता ढलान के साथ सीधी रेखाएं हैं। नीचे दिया गया रैगोन प्लॉट विभिन्न ऊर्जा-भंडारण उपकरणों के लिए विशिष्ट ऊर्जा (डब्ल्यूएच/किग्रा) बनाम विशिष्ट शक्ति (डब्ल्यू/किग्रा) दिखाता है:

निष्कर्ष

ग्राफीन कैपेसिटर एक प्रकार का सुपरकैपेसिटर है जिसमें ग्राफीन से बने इलेक्ट्रोड होते हैं जो ग्रेफाइट से आते हैं। ग्राफीन इलेक्ट्रोलाइट को एक बड़ा सतह क्षेत्र प्रदान करता है जिसके परिणामस्वरूप कैपेसिटेंस में वृद्धि होती है और चार्जिंग समय भी कम होता है। इसके अलावा, ग्राफीन इलेक्ट्रोड बनाने की विभिन्न तकनीकें हैं, उनमें से दो हैं: ग्राफीन फोम और प्रत्यक्ष लेजर लेखन।