सुपरकैपेसिटर की नई समझ चार्जिंग मानकों में क्रांति ला सकती है

सुपरकैपेसिटर की नई समझ से फ़ोन या इलेक्ट्रिक वाहन को कुछ सेकंड में चार्ज करना संभव हो सकता है। इस सप्ताह कोलोराडो विश्वविद्यालय, बोल्डर के शोधकर्ताओं ने छिद्रयुक्त विद्युत द्विपरत (EDL) चार्जिंग में आयनों के स्थानांतरण की गतिशीलता पर प्रोसीडिंग्स ऑफ द नेशनल एकेडमी ऑफ साइंसेज़ में अध्ययन प्रकाशित किया। यह सुपरकैपेसिटर बाज़ार को बदल सकता है। आवश्यक जानकारी यहाँ दी गई है।

सुपरकैपेसिटर क्या हैं?

कैपेसिटर आज के इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों का महत्वपूर्ण भाग हैं। पारंपरिक बैटरियों की रासायनिक विधियों के बजाय ये विद्युत क्षेत्र में स्थिरवैद्युत ऊर्जा संग्रहित करते हैं। इसलिए बहुत अधिक पल्स शक्ति और धारिता की आवश्यकता वाले कामों के लिए इनके विशिष्ट गुण उपयोगी हैं।

सुपरकैपेसिटर बनाम बैटरियां

सुपरकैपेसिटर और बैटरियाँ दोनों ऊर्जा संग्रहित करते हैं, लेकिन बहुत अलग तरीकों से। सामान्य बैटरियाँ रासायनिक प्रतिक्रियाओं का उपयोग करती हैं। यह लंबी अवधि की ऊर्जा आवश्यकताओं के लिए उपयुक्त है, लेकिन लंबे चार्जिंग समय और वज़न जैसे गंभीर नुकसान हैं। सुपरकैपेसिटर की अधिक धारिता उन्हें आवश्यकता पड़ने पर ऊर्जा के तीव्र पल्स देने के लिए उपयुक्त बनाती है।

सुपरकैपेसिटर विद्युत-रासायनिक प्रतिक्रिया के बजाय स्थिर विद्युत आवेश से ऊर्जा संग्रहित करते हैं, इसलिए इन्हें हल्का बनाया जा सकता है। प्रायः इन्हें DC परिपथों के पूरक के रूप में उपयोग किया जाता है और ये अनेक सामान्य इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में मिलते हैं।

सुपरकैपेसिटर कैसे काम करते हैं?

सुपरकैपेसिटर छिद्रों में आयनों को रोककर आवेश जमा करते हैं। इस प्रक्रिया से वे कुछ सेकंड में पूरी तरह चार्ज हो सकते हैं। हाल तक इस भंडारण विधि में परतों और छिद्रों संबंधी सीमाएँ थीं। इसी अनूठी चार्जिंग प्रक्रिया ने इंजीनियर अंकुर गुप्ता और उनकी टीम का ध्यान खींचा।

वैज्ञानिक क्षेत्रों का मिलन

गुप्ता और उनकी टीम ने छिद्रयुक्त पदार्थों में प्रवाह के अध्ययन से मिले डेटा की समीक्षा कर उसे सुपरकैपेसिटर पर लागू किया। सामान्यतः यह विज्ञान जल निस्पंदन जैसी गैर-इलेक्ट्रॉनिक प्रणालियों में प्रयुक्त होता था। गुप्ता ने समझा कि उनकी विशेषज्ञता इलेक्ट्रॉनिक्स में भी उपयोगी हो सकती है। परिणामों ने दिखाया कि उनका मॉडल EDL चार्जिंग को बेहतर बनाकर कुछ सेकंड में चार्ज होने वाले अधिक कुशल ऊर्जा भंडारण उपकरण बनाने में मदद कर सकता है।

अध्ययन के विवरण

शोधकर्ताओं ने पहले देखा कि छिद्रों का जुड़ाव और उनके आकारों की विविधता चार्जिंग दक्षता तथा क्षमता को कैसे प्रभावित करती है। इसके लिए उन्होंने जटिल संरचनाओं में व्यवस्थित बहुपरत छिद्रों से इलेक्ट्रोलाइट के प्रवाह की भविष्यवाणी करने के नए तरीके बनाए।

नया मॉडल इंजीनियरों की डिज़ाइन योजना सुधारता है

मॉडल ने परतों में रखे हज़ारों जुड़े छिद्रों का अनुकरण किया और आयनों की गति मापी। अधिक परतें जोड़ना ऊर्जा संग्रह क्षमता बढ़ाने का प्रभावी तरीका साबित हुआ। लक्ष्य ऐसी संरचना बनाना है जो पूरी तरह अवरुद्ध हुए बिना अधिकतम आयन रोक सके।

शोधकर्ताओं ने पाया कि सतह क्षेत्र बढ़ाने से प्रदर्शन और भंडारण क्षमता सुधर सकती है। इसलिए उन्होंने अनुकरण में गहराई जोड़ी। मॉडल इंजीनियरों को इन जटिल बहुपरत फ़िल्टरों के संरचना-गुण संबंध और ऊर्जा स्थानांतरण पर उनका प्रभाव सटीक रूप से समझने देता है। फिर डेटा का मिलान कर आवश्यकता के अनुसार ऊर्जा संचित करने और छोड़ने की सबसे कुशल विधियाँ निर्धारित की गईं।

अध्ययन परिणाम

अध्ययन से मॉडल बनाना और परिणाम जाँचना पुरानी विधियों से कई गुना तेज़ हुआ। विशेष रूप से, पाँच हज़ार छिद्रों की त्रिकोणीय जाली की गणना छह मिनट में पूरी हुई। भविष्य में टीम EDL मोटाई और छिद्र त्रिज्या की सीमाओं के बिना डेबाई–ह्यूकेल सीमा का अनुकरण करना चाहती है।

किर्चहॉफ का नियम

शोधकर्ताओं के अनुसार, किर्चहॉफ के नियम में बदलाव से उन्हें यह विचार मिला। जर्मन भौतिकविद गुस्ताव किर्चहॉफ ने 1845 में बिजली के व्यवहार से जुड़े वोल्टेज और धारा के दो नियम दिए। आज भी जटिल नेटवर्क में प्रतिरोध निर्धारित करने के लिए इनका उपयोग होता है।

सुपरकैपेसिटर के वास्तविक दुनिया में अनुप्रयोग

सुपरकैपेसिटर के कई उद्योगों में व्यावहारिक उपयोग हैं। ये प्रणालियों में विद्युत उतार-चढ़ाव कम करने, वाहनों को शक्ति देने और अन्य कार्यों में काम आते हैं। आज के सामान्य उपयोग निम्न हैं।

मेमोरी सुरक्षा और आंतरिक बैटरी बैकअप

आज सुपरकैपेसिटर का एक लोकप्रिय उपयोग मेमोरी की सुरक्षा और बैटरी बैकअप में सहायता है। वे हल्के, बैटरियों से छोटे, विश्वसनीय और कम रखरखाव वाले होने के कारण इस काम के लिए उपयुक्त हैं। इसलिए अनेक DC इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में पाए जाते हैं।

सुपरकैपेसिटर तेज़ी से अधिक शक्ति वाले भार को ऊर्जा दे सकते हैं, इसलिए भरोसेमंद मेमोरी बैकअप उपलब्ध कराते हैं। अचानक बंद होने या बिजली जाने पर यह गुण उपयोगी है। ऐसे समय ये उपकरण कैश का डेटा फ़्लैश मेमोरी में भेजने में सहायता करते हैं और बिजली जाने के महत्वपूर्ण सेकंडों में काम सुरक्षित करते हैं।

पावर बफ़रिंग

एक अन्य सामान्य उपयोग अधिक शक्ति वाली प्रणालियों के लिए बफ़र देना है। अचानक अतिरिक्त शक्ति की आवश्यकता होने पर सुपरकैपेसिटर प्रभावी समाधान हैं। वे विद्युत उतार-चढ़ाव कम कर स्थिर आपूर्ति सुनिश्चित करते हैं।

इलेक्ट्रॉनिक्स में पावर बफ़रिंग सामान्य है और सुपरकैपेसिटर उपकरणों को सुचारु चलाने का प्रमुख तरीका हैं। आवश्यक शक्ति घनत्व और आपूर्ति क्षमता से ये प्रणाली की ज़रूरत पर अतिरिक्त ऊर्जा दे सकते हैं। इलेक्ट्रिक वाहनों में ट्रैक्शन नियंत्रण, तेज़ त्वरण और अन्य महत्वपूर्ण कार्यों में इनका उपयोग होता है।

ऊर्जा संग्रहण

सुपरकैपेसिटर ऊर्जा हार्वेस्टिंग की विधियों में उल्लेखनीय सुधार कर सकते हैं। अतिरिक्त ऊर्जा जमा कर कुछ सेकंड में छोड़ने के गुण उन्हें इस प्रक्रिया के लिए उपयुक्त बनाते हैं। यहाँ वे असमान धारा प्रवाह को संतुलित करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं।

ऊर्जा हार्वेस्टिंग का दायरा और महत्व बढ़ रहा है। सामुदायिक ग्रिड, लंबी आयु वाली बैटरियों, ईंधन सेल और उन्नत दहन इंजनों में सुपरकैपेसिटर स्थिर बिजली सुनिश्चित करने में मदद करते हैं। निकट भविष्य में वे अगली पीढ़ी के सौर और पवन ऊर्जा संयंत्रों से अधिकतम लाभ प्राप्त करने में और महत्वपूर्ण होंगे।

बैटरियों के साथ एकीकरण

यह समझना आसान है कि सुपरकैपेसिटर बेहतर बैटरी प्रणालियों की कुंजी क्यों हो सकते हैं। कुछ बैटरियाँ पहले से इनका उपयोग स्थिर विद्युत आपूर्ति और चार्जिंग के लिए करती हैं। वे असमान वोल्टेज से परिपथों को नुकसान पहुँचने या समस्यापूर्ण स्पाइक्स बनने से रोकते हैं।

शोध से पता चला है कि सुपरकैपेसिटर बैटरी प्रणालियों का प्रदर्शन बेहतर कर सकते हैं। अधिक धारिता और तेज़ ऊर्जा निकास उन्हें ऊर्जा संग्रहित कर आवश्यकता पर उपलब्ध कराने देते हैं। इसके अलावा, यह शक्ति पारंपरिक आपूर्ति विधियों से दस गुना तेज़ी से आवश्यक स्थान पर पहुँच सकती है।

हाइब्रिड वाहनों में ऊर्जा संग्रहण

हाइब्रिड वाहनों में भी सुपरकैपेसिटर उपयोगी हैं। पिछले पाँच वर्षों में पूरी तरह कैपेसिटर-आधारित वाहन मोटर विकसित करने के प्रयास हुए हैं। पुनर्योजी ब्रेकिंग, आसपास से ऊर्जा प्राप्त करने और अन्य उन्नत विधियों द्वारा लगभग तत्काल चार्जिंग संभव होने पर उद्योग बदल सकता है।

लक्ष्य इन वाहनों में सुपरकैपेसिटर को मुख्य ऊर्जा स्रोत बनाना है। इससे EV की लागत और वज़न काफी घट सकते हैं, साथ ही टिकाऊपन और विश्वसनीयता बढ़ सकती है। इन कारणों से हाइब्रिड निर्माता सर्वोत्तम विकल्पों के शोध पर पर्याप्त धन लगा रहे हैं।

IoT (इंटरनेट ऑफ थिंग्स)

IoT स्मार्ट उपकरणों का विशाल नेटवर्क है, जिसमें अरबों इकाइयाँ शामिल हैं। इनमें सेंसर होते हैं और ये इंटरनेट से संचार करते हैं। ऐसे छोटे तथा कम बिजली वाले उपकरण सुपरकैपेसिटर से अपनी ऊर्जा आवश्यकताएँ पूरी करते हुए छोटे और किफ़ायती रह सकते हैं।

IoT बढ़ रहा है और विश्लेषकों के अनुसार अरबों उपकरणों का यह नेटवर्क आने वाले वर्षों में काफी विस्तृत होगा। इसलिए इन उपकरणों को बिजली देना डेवलपरों, इंजीनियरों और निर्माताओं का मुख्य ध्यान बन गया है।

इस शोध के लाभ

अध्ययन का मुख्य लाभ सुपरकैपेसिटर में सुधार है। मॉडल निर्माताओं को जटिल और अधिक कुशल उपकरण बनाने देगा, जो बेहद तेज़ चार्जिंग वाली बैटरियों, बिजली ग्रिड और परिवहन सहित कई क्षेत्रों को समर्थन देंगे। निम्न कंपनियाँ भविष्य में इस तकनीक का लाभ उठा सकती हैं।

1. FREYR Battery

FREYR Battery (TE ) लक्ज़मबर्ग की बैटरी सेल निर्माता और बाज़ार की प्रमुख कंपनी है। बढ़ते EV बैटरी बाज़ार के लिए 2018 में इसकी स्थापना हुई। आज यह ऊर्जा भंडारण, विमानन, ऑटो और इलेक्ट्रिक बैटरी सेवाओं में विशेषज्ञ है।

FREYR Battery बाज़ार की एक प्रमुख कंपनी है, जिसका नॉर्वे और अमेरिका में बड़ा परिचालन है। कंपनी का निर्माणाधीन गीगा बैटरी संयंत्र जॉर्जिया में स्थापित होना है। ये विशाल बैटरियाँ औद्योगिक क्षेत्र की ज़रूरतें पूरी करने के लिए बनाई गई हैं, जिससे यह संयंत्र बाज़ार में एक अग्रणी प्रयास बनता है।

FREYR Battery का बाज़ार पूँजीकरण लगभग 22.5 करोड़ से 35.974 करोड़ डॉलर के बीच बदलता है। पिछले 52 सप्ताह में शेयर मूल्य 1.21 से 10.10 डॉलर के बीच रहा, जबकि 6 अक्टूबर 2022 को 16.94 डॉलर का सर्वकालिक उच्च स्तर बना था। वर्तमान में विश्लेषक इसे होल्ड करने का मज़बूत विकल्प मानते हैं, और अनुमान 10.00 से 1.90 डॉलर के बीच हैं।

2. QuantumScape

QS मूल्य चार्ट

QuantumScape (QS ) की स्थापना जगदीप सिंह, टिम होल्म और फ्रिट्ज़ बी. प्रिंज़ ने की। कंपनी 2010 में बाज़ार में आई और कैलिफ़ोर्निया में स्थित है। यह सॉलिड-स्टेट बैटरी तकनीक और अन्य ऊर्जा बचत रणनीतियों की विशेषज्ञ है। भविष्य में शोधकर्ताओं की प्रगति अपनाकर अपने उत्पाद बेहतर कर सकती है।

QuantumScape दक्षता और स्थिरता सुधारने के लिए बैटरी प्रौद्योगिकी की सीमाओं को आगे बढ़ाना चाहता है। कंपनी ने हाल ही में एनोड-रहित बैटरी सेल विकसित करने वाला एकमात्र निर्माता बनकर ध्यान आकर्षित किया। इस सुधार से ऊर्जा घनत्व बढ़ता है और निर्माण लागत घटती है।

QuantumScape का शेयर पिछले 52 सप्ताह में 4.92 से 13.86 डॉलर के बीच रहा। इसका बाज़ार पूँजीकरण 2 से 3 अरब डॉलर के बीच रहा है। निवेशकों को अभी लाभ न दिखने के बावजूद इसे अच्छा अतिरिक्त निवेश माना जाता है, क्योंकि इसके नवाचार आने वाले महीनों में बाज़ार बदलने की क्षमता रखते हैं।

सुपरकैपेसिटर का भविष्य

सुपरकैपेसिटर का भविष्य उज्ज्वल है। अधिक कंपनियाँ इनके सुधार और मौजूदा प्रणालियों में एकीकरण पर शोध कर रही हैं। इसलिए यह बाज़ार सक्रिय और नवाचारों से भरपूर है। भविष्य में नए पदार्थों की खोज पर भी समय दिया जाएगा।

इन उपकरणों की भौतिक विशेषताओं पर भी अधिक ध्यान दिया जाएगा। सॉफ्ट रोबोट और नए बाज़ारों के लिए इन्हें नरम, मुड़ने योग्य या खिंचने योग्य बनाया जा सकता है। छोटा आकार भी नवाचार को बढ़ाने वाली प्रमुख आवश्यकता है।

हरित अर्थव्यवस्था

सुपरकैपेसिटर का भविष्य पर्यावरण-अनुकूल है। इन्हें जैव-अवक्रमणीय बनाने पर काफी शोध हो रहा है। उपयोग बढ़ने के साथ इससे पर्यावरणीय प्रभाव घट सकता है। स्थिरता सभी भावी प्रौद्योगिकियों की प्रमुख चिंता है। इसलिए पारिस्थितिकी तंत्र को कम नुकसान पहुँचाने वाले विविध पदार्थ अपनाए जाएँगे।

नए सुपरकैपेसिटर नई क्षमताएँ प्राप्त करते हैं

दैनिक जीवन में सुपरकैपेसिटर की महत्वपूर्ण भूमिका देखकर स्पष्ट होता है कि इस शोध ने इतना ध्यान क्यों खींचा है। ये उन इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को चलाते हैं जिन पर लोग निर्भर हैं। भविष्य में बेहद तेज़ चार्जिंग वाली बैटरियाँ और बिजली ग्रिड बाज़ार की आवश्यकता होंगे। इसलिए इस शोध की प्रगति पर नज़र रखना समझदारी है।

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