सीमेंट, कार्बन ब्लैक, इलेक्ट्रोलाइट और पानी मिलकर बनाते हैं बहुमुखी नई सुपरकैपेसिटर की सरल रेसिपी

यदि सामग्री विज्ञान से जुड़ी हालिया प्रगति सफल होती है, तो हमारी दुनिया केवल कुछ वर्षों में बहुत अलग दिखेगी। पिछले सप्ताह, केवल ‘LK-99’ नामक संभावित कमरे के तापमान, सामान्य दबाव वाले सुपरकंडक्टर के बारे में हालिया दावों को पुनः निर्मित करने और उनकी वैधता सिद्ध करने का प्रयास करने वाले वैज्ञानिकों की सूची बढ़ रही है, बल्कि मैसाचुसेट्स इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी (MIT) ने भी अपनी रोचक खोज की घोषणा की। यह एक किफायती सुपरकैपेसिटर होगा जो गैर-विशिष्ट सामग्री से बनाया गया है।

कैपेसिटर क्या है?

कैपेसिटर ऐसे उपकरण हैं जो दो चालक प्लेटों के बीच एक इन्सुलेटर या डाइइलेक्ट्रिक द्वारा अलग किए गए विद्युत चार्ज के आंतरिक असंतुलन को संचित करके विद्युत ऊर्जा को संग्रहित करते हैं।

एक को ‘सुपर’ क्या बनाता है?

• भंडारण क्षमता: सुपरकैपेसिटर मानक कैपेसिटर की तुलना में बहुत अधिक मात्रा में विद्युत चार्ज संग्रहीत कर सकते हैं। यह इलेक्ट्रोड की उच्च सतह क्षेत्र और उनके बीच बहुत पतली दूरी के कारण संभव होता है, जिससे अधिक चार्ज संग्रहीत किया जा सकता है।
• ऊर्जा और शक्ति घनत्व: जबकि कैपेसिटर आमतौर पर उच्च शक्ति घनत्व (वे ऊर्जा जल्दी प्रदान कर सकते हैं) लेकिन कम ऊर्जा घनत्व (वे कम ऊर्जा संग्रहीत करते हैं) रखते हैं, सुपरकैपेसिटर दोनों उच्च शक्ति घनत्व और तुलनात्मक रूप से उच्च ऊर्जा घनत्व रखकर कैपेसिटर और बैटरी के बीच का अंतर पाटते हैं।
• निर्माण: सुपरकैपेसिटर अक्सर विभिन्न सामग्री और निर्माण विधियों का उपयोग करते हैं। वे सामान्यतः इलेक्ट्रोड के लिए छिद्रयुक्त कार्बन सामग्री का उपयोग करते हैं, जो बड़ी सतह क्षेत्र प्रदान करती है, और एक इलेक्ट्रोलाइट जो आयनों की गति की अनुमति देता है। बड़ी सतह क्षेत्र और विशेष निर्माण सुपरकैपेसिटर को अधिक ऊर्जा संग्रहीत करने में सक्षम बनाते हैं।
• चार्ज और डिस्चार्ज दरें: सुपरकैपेसिटर बैटरियों की तुलना में बहुत तेज़ी से चार्ज और डिस्चार्ज हो सकते हैं, और वे कई अधिक चार्ज और डिस्चार्ज चक्रों को बिना महत्वपूर्ण क्षति के सहन कर सकते हैं। जबकि मानक कैपेसिटर भी तेज़ी से चार्ज और डिस्चार्ज होते हैं, सुपरकैपेसिटर अपनी बड़ी भंडारण क्षमता के कारण चार्ज को अधिक समय तक रख सकते हैं।

सारांश में, जबकि मानक कैपेसिटर और सुपरकैपेसिटर ऊर्जा को विद्युत क्षेत्र में संग्रहीत करने के समान मूल सिद्धांत पर कार्य करते हैं, सुपरकैपेसिटर अपनी बहुत अधिक भंडारण क्षमता, विभिन्न निर्माण सामग्री, और कैपेसिटर तथा बैटरी दोनों की विशेषताओं को संयोजित करने की क्षमता के कारण अलग होते हैं।

सुपरकैपेसिटर कहाँ उपयोग होते हैं?

तो अब जब आप जानते हैं कि सुपरकैपेसिटर क्या है, तो वे कहाँ उपयोगी हैं? सुपरकैपेसिटर आमतौर पर उन अनुप्रयोगों में उपयोग होते हैं जहाँ तेज़ ऊर्जा वितरण और कुशल भंडारण आवश्यक होते हैं। यहाँ कुछ सामान्य क्षेत्रों की सूची है जहाँ आप सुपरकैपेसिटर पा सकते हैं:

• इलेक्ट्रिक वाहन (EVs): सुपरकैपेसिटर त्वरित गति के लिए आवश्यक शक्ति के तेज़ बर्स्ट प्रदान कर सकते हैं और पुनर्जनन ब्रेकिंग के दौरान ऊर्जा को पकड़ सकते हैं, जिससे वाहन की कुल दक्षता में सुधार होता है।
• सार्वजनिक परिवहन: बस और ट्राम में, सुपरकैपेसिटर छोटे-छोटे रुकाव के दौरान तेजी से ऊर्जा संग्रहीत कर सकते हैं और फिर त्वरित गति के लिए आवश्यक ऊर्जा प्रदान कर सकते हैं, जिससे मुख्य शक्ति स्रोत पर दबाव कम होता है।
• नवीकरणीय ऊर्जा प्रणाली: सुपरकैपेसिटर सौर और पवन जैसी नवीकरणीय स्रोतों से ऊर्जा संग्रहीत कर सकते हैं और आवश्यकता पड़ने पर इसे रिलीज़ कर सकते हैं। यह सूर्य और पवन की कमी के समय ऊर्जा आपूर्ति में उतार-चढ़ाव को सुगम बनाता है।
• अविरत विद्युत आपूर्ति (UPS): ऐसे सिस्टमों में जिन्हें निरंतर विद्युत आपूर्ति चाहिए, सुपरकैपेसिटर छोटे व्यवधान के दौरान या बैकअप जनरेटर चालू होने तक अस्थायी शक्ति प्रदान कर सकते हैं।
• उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स: कुछ उपकरणों में, सुपरकैपेसिटर कुछ कार्यों के लिए आवश्यक तेज़ ऊर्जा बर्स्ट प्रदान कर सकते हैं, जैसे कैमरों में फ्लैश फ़ोटोग्राफी और हाई-एंड कार ऑडियो इंस्टॉलेशन।
• चिकित्सा उपकरण: सुपरकैपेसिटर डिफिब्रिलेटर जैसे चिकित्सा उपकरणों में उपयोग किए जा सकते हैं, जिन्हें विश्वसनीय और त्वरित शक्ति वितरण की आवश्यकता होती है।
• औद्योगिक उपकरण: औद्योगिक सेटिंग्स में, सुपरकैपेसिटर विभिन्न मशीनरी और उपकरणों में छोटे समय के लिए आवश्यक उच्च शक्ति प्रदान कर सकते हैं।
• ग्रिड स्थिरीकरण: सुपरकैपेसिटर विद्युत ग्रिड में मांग या आपूर्ति में बदलाव के प्रति तेज़ प्रतिक्रिया देने के लिए उपयोग किए जा सकते हैं, जिससे ग्रिड स्थिर रहता है और उतार-चढ़ाव को रोका जा सकता है।
• वायरलेस संचार उपकरण: वे संकेत प्रसारित करने के लिए आवश्यक ऊर्जा प्रदान करने में उपयोग किए जा सकते हैं, विशेषकर दूरस्थ या पहुंचने में कठिन स्थानों में जहाँ बैटरी बदलना चुनौतीपूर्ण होता है।
• स्मार्ट ग्रिड और माइक्रोग्रिड अनुप्रयोग: सुपरकैपेसिटर बुद्धिमान ऊर्जा प्रबंधन प्रणालियों का हिस्सा बन सकते हैं, जो लोड को संतुलित करने और स्थानीय रूप से ऊर्जा संग्रहीत करने में मदद करते हैं, जिससे अधिक कुशल उपयोग संभव हो सके।
• एयरोस्पेस और रक्षा: एयरोस्पेस अनुप्रयोगों में, सुपरकैपेसिटर उन महत्वपूर्ण प्रणालियों के लिए विश्वसनीय शक्ति प्रदान कर सकते हैं जिन्हें उच्च विश्वसनीयता और प्रदर्शन की आवश्यकता होती है।

समग्र रूप से, सुपरकैपेसिटर की बहुमुखी प्रतिभा, उच्च शक्ति घनत्व, और तेज़ चार्ज/डिस्चार्ज क्षमताएँ उन्हें उन विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त बनाती हैं जहाँ ऊर्जा भंडारण और तेज़ ऊर्जा रिलीज़ दोनों आवश्यक हैं। ऊपर दी गई सूची से आप देख सकते हैं कि सुपरकैपेसिटर पहले से ही कई उद्योगों में उपयोग हो रहे हैं। इस कारण, MIT द्वारा की गई हालिया खोज विशेष रूप से आकर्षक है क्योंकि यह कई विभिन्न कार्यान्वयनों को आगे बढ़ाने की संभावना रखती है।

एक नई रेसिपी

MIT के अनुसार, इस खोज में शामिल शोधकर्ताओं ने कार्बन ब्लैक को कंक्रीट मिश्रण में मिलाकर एक उच्च आंतरिक सतह क्षेत्र वाला सीमेंट-आधारित सामग्री बनाने की विधि विकसित की। परिणामी सामग्री, जब पोटैशियम क्लोराइड जैसे मानक इलेक्ट्रोलाइट में भिगोई जाती है, तो एक शक्तिशाली सुपरकैपेसिटर बनती है। उल्लेखनीय है कि आवश्यक कार्बन की मात्रा न्यूनतम है, जिससे प्रक्रिया सस्ती और आसानी से दोहराने योग्य बनती है।सुपरकैपेसिटर बनाते समय यह याद रखना महत्वपूर्ण है कि उसका प्रदर्शन मुख्यतः उसके चालक प्लेटों की आंतरिक सतह क्षेत्र पर निर्भर करता है। MIT कहता है,

“इस टीम द्वारा विकसित नए सुपरकैपेसिटर की कुंजी एक ऐसी विधि से आती है जो एक अत्यधिक उच्च आंतरिक सतह क्षेत्र वाली सीमेंट-आधारित सामग्री का उत्पादन करती है, जो उसके थोक आयतन में घनी, आपस में जुड़ी हुई चालक सामग्री के नेटवर्क के कारण संभव है।”

हालांकि इस खोज की मुख्य बात यह है कि इसे बहुत ही साधारण, विश्वभर में सस्ते में मिलने वाली सामग्री से हासिल किया गया है – जिससे यह एक अत्यधिक सुलभ तकनीक बनती है।

यह खोज तब रोचक हो जाती है जब हम इसके संभावित भविष्य के अनुप्रयोगों के बारे में सोचते हैं, जैसे ऊर्जा ग्रिड और मांगों को स्थिर करना। टीम ने एक कार्यान्वयन का वर्णन किया है जिसमें घर की नींव इस सामग्री से बनाई जाती है। न केवल यह सामग्री सामान्य सीमेंट जितनी मजबूत बनाई जा सकती है, बल्कि घर की नींव में इतनी क्षमता होगी कि वह पूरे दिन की बिजली प्रदान कर सके। इसे बिजली कटौती, पीक-रेट घंटों, या अन्य समान परिस्थितियों में उपयोग किया जा सकता है।

यह उन घरों के लिए भी उपयोगी है जो नवीकरणीय ऊर्जा का उपयोग करते हैं, जहाँ आपूर्ति निरंतर नहीं होती। अधिक उत्पादन के समय, नींव में संग्रहीत ऊर्जा को पुनः भर दिया जा सकता है, जबकि ऊर्जा की कमी के समय इसे उपयोग किया जा सकता है। अन्य कार्यान्वयन में वायरलेस चार्जिंग तकनीक शामिल है, जो पारंपरिक विद्युत ग्रिड से अलग समुदायों और घरों को सेवा प्रदान करती है, और भी कई संभावनाएँ हैं।

अंतिम शब्द

सीमेंट-आधारित सुपरकैपेसिटर का महत्व बहुत बड़ा है, क्योंकि मनुष्यों की इस सामग्री से निर्माण करने की प्रवृत्ति है। कुल मिलाकर, टीम मानती है कि इसका,

“…छिद्रयुक्त कार्बन-सीमेंट मिश्रणों का सामग्री डिज़ाइन ऊर्जा भंडारण के लिए एक स्केलेबल सामग्री समाधान प्रदान करता है, जो जीवाश्म ईंधनों से नवीकरणीय ऊर्जा की त्वरित परिवर्तन को समर्थन देता है।”

यह न केवल आसानी से उपलब्ध होगा, बल्कि छोटे और बड़े दोनों पैमाने के प्रोजेक्ट्स में इसे लागू करना भी अपेक्षाकृत सरल होगा।