सीमेंट-आधारित सुपरकैपेसिटर एक नवीन ऊर्जा भंडारण प्रणाली बनाता है - फिजिक्स वर्ल्ड

सीमेंट-आधारित सुपरकैपेसिटर एक नवीन ऊर्जा भंडारण प्रणाली बनाता है - फिजिक्स वर्ल्ड

टाइम स्टैम्प: 25 अगस्त, 2023 सुबह 4:22 बजे

सीमेंट सुपरकैपेसिटर से बनी नींव वाला एक घर एक दिन के लायक ऊर्जा संग्रहीत कर सकता है
चूंकि नया "सुपरकैपेसिटर" कंक्रीट अपनी ताकत बरकरार रखेगा, इस सामग्री से बनी नींव वाला एक घर सौर पैनलों या पवन चक्कियों द्वारा उत्पादित एक दिन की ऊर्जा को संग्रहीत कर सकता है, और जब भी जरूरत हो इसका उपयोग कर सकता है। (सौजन्य: फ्रांज-जोसेफ उल्म, एडमिर मैसिक और यांग-शाओ हॉर्न)

कार्बन ब्लैक और सीमेंट से बना एक नया लागत प्रभावी और कुशल सुपरकैपेसिटर एक इमारत की ठोस नींव में एक दिन की ऊर्जा संग्रहीत कर सकता है या इलेक्ट्रिक कारों के लिए संपर्क रहित रिचार्जिंग प्रदान कर सकता है जब वे इसमें यात्रा करते हैं। इसे विकसित करने वाले अमेरिका के मैसाचुसेट्स इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी (एमआईटी) और वाइस इंस्टीट्यूट के शोधकर्ताओं के अनुसार, यह उपकरण सौर, पवन और ज्वारीय ऊर्जा जैसे नवीकरणीय ऊर्जा स्रोतों के उपयोग की सुविधा भी प्रदान कर सकता है।

सुपरकैपेसिटर को तकनीकी रूप से इलेक्ट्रिक डबल-लेयर या इलेक्ट्रोकेमिकल कैपेसिटर के रूप में जाना जाता है, और उनकी क्षमताएं बैटरी और पारंपरिक (डाइलेक्ट्रिक) कैपेसिटर के बीच कहीं आती हैं। हालांकि बैटरी की तुलना में चार्ज भंडारण में कम अच्छे होते हैं, सुपरकैपेसिटर इस संबंध में पारंपरिक कैपेसिटर से बेहतर होते हैं, उनके छिद्रपूर्ण इलेक्ट्रोड के लिए धन्यवाद, जिनकी सतह का क्षेत्रफल कई वर्ग किलोमीटर जितना बड़ा होता है। वोल्टेज लागू होने पर ऐसे उपकरणों के इलेक्ट्रोलाइट-इलेक्ट्रोड इंटरफ़ेस पर बनने वाली दोहरी परत उनके द्वारा संग्रहित किए जा सकने वाले चार्ज की मात्रा को और बढ़ा देती है।

बैटरियों की तुलना में सुपरकैपेसिटर के कुछ फायदे भी हैं। जहां बैटरियों को चार्ज और डिस्चार्ज होने में घंटों लग सकते हैं, वहीं सुपरकैपेसिटर यह काम मिनटों में कर देते हैं। उनका जीवनकाल भी काफी लंबा होता है, जो हजारों की बजाय लाखों चक्रों तक चलता है। और बैटरियों के विपरीत, जो रासायनिक प्रतिक्रियाओं के माध्यम से काम करती हैं, सुपरकैपेसिटर ऊर्जा को विद्युत आवेशित आयनों के रूप में संग्रहीत करते हैं जो उनके इलेक्ट्रोड की सतहों पर इकट्ठा होते हैं।

अत्यधिक उच्च आंतरिक सतह क्षेत्र

के नेतृत्व में एक टीम द्वारा विकसित नया उपकरण फ्रांज-जोसेफ उल्म, एडमिर मैसिक और यांग-शाओ हॉर्न, इसमें सीमेंट-आधारित सामग्री होती है जो अत्यधिक उच्च आंतरिक सतह क्षेत्र का दावा करती है। शोध ने इसे कार्बन ब्लैक युक्त सूखे सीमेंट मिश्रण से शुरू करके हासिल किया, जो बहुत महीन चारकोल जैसा दिखता है। इस मिश्रण में, उन्होंने पानी और सुपरप्लास्टिकाइज़र मिलाया - जो कंक्रीट उत्पादन में पानी कम करने वाला एक मानक मिश्रण है। जैसे ही पानी सीमेंट के साथ प्रतिक्रिया करता है, यह स्वाभाविक रूप से संरचना के भीतर छिद्रों का एक शाखा नेटवर्क बनाता है, और कार्बन इन छिद्रों में स्थानांतरित होकर फ्रैक्टल जैसी संरचना के साथ वायरी फिलामेंट्स बनाता है। यह घनी, परस्पर जुड़ी, नेटवर्क संरचना है जो सामग्री को उसका अत्यंत बड़ा सतह क्षेत्र प्रदान करती है।

उल्म बताते हैं, ''हम ताजी सामग्री को प्लास्टिक ट्यूबों में भरते हैं और उन्हें कम से कम 28 दिनों तक सख्त होने देते हैं।'' "इसके बाद हम नमूनों को इलेक्ट्रोड के आकार के टुकड़ों में काटते हैं, इन इलेक्ट्रोडों को एक मानक इलेक्ट्रोलाइट समाधान (पोटेशियम क्लोराइड) में भिगोते हैं और एक इन्सुलेटिंग झिल्ली द्वारा अलग किए गए दो इलेक्ट्रोडों से एक सुपरकैपेसिटर बनाते हैं।"

इसके बाद शोधकर्ता एक इलेक्ट्रोड को सकारात्मक चार्ज और दूसरे को नकारात्मक चार्ज से जोड़कर इलेक्ट्रोड का ध्रुवीकरण करते हैं। चार्जिंग के दौरान, इलेक्ट्रोलाइट से सकारात्मक रूप से चार्ज किए गए आयन नकारात्मक चार्ज वाले वॉल्यूमेट्रिक कार्बन तार पर जमा होते हैं, जबकि नकारात्मक चार्ज वाले आयन सकारात्मक चार्ज वाले कार्बन तार पर जमा होते हैं।

एक दिन के लायक ऊर्जा

रास्ते में झिल्ली के साथ, आवेशित आयन इलेक्ट्रोड के बीच नहीं जा सकते। यह असंतुलन विद्युत क्षेत्र उत्पन्न करता है जो सुपरकंडक्टर को चार्ज करता है। उल्म कहते हैं, "तथ्य यह है कि वॉल्यूमेट्रिक तार उसके लिए उपलब्ध स्थान को भरता है - जिसकी हमने ईडीएस-रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी से पुष्टि की है - हमें कार्बन ब्लैक की बेहद बड़ी सतह पर बहुत सारी ऊर्जा संग्रहीत करने की अनुमति देता है।" "जब हम सुपरकैपेसिटर से ऊर्जा स्रोत को डिस्कनेक्ट करते हैं, तो संग्रहीत ऊर्जा निकल जाती है, और इस प्रकार विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए शक्ति प्रदान कर सकती है।"

उनकी गणना के अनुसार, जिसका वे विवरण देते हैं PNAS, 45 मीटर मापने वाली सामग्री का एक ब्लॉक3 (3.55 मीटर क्यूब के बराबर), लगभग 10 kWh ऊर्जा संग्रहीत करने में सक्षम होगा। यह लगभग एक सामान्य घर की औसत दैनिक बिजली खपत के बराबर है। इस कार्बन-कंक्रीट मिश्रित नींव से बना एक घर एक दिन के लायक ऊर्जा को संग्रहीत कर सकता है - उदाहरण के लिए, सौर पैनलों द्वारा उत्पादित - और जरूरत पड़ने पर इसे जारी कर सकता है। सामग्री को पवन टरबाइन जैसे आंतरायिक बिजली जनरेटर में भी शामिल किया जा सकता है, जो तब ऊर्जा को अपने आधारों में संग्रहीत कर सकता है और डाउन अवधि के दौरान इसे जारी कर सकता है।

सुपरकैपेसिटर के लिए एक और संभावित अनुप्रयोग - यद्यपि एक उच्च-स्तरीय - इसे कंक्रीट रोडवेज में जोड़ना होगा। ये सुपर-रोडें तब ऊर्जा संग्रहीत कर सकती हैं (शायद उनके साथ स्थित सौर पैनलों द्वारा उत्पादित) और इसे विद्युत चुम्बकीय प्रेरण के माध्यम से गुजरने वाले इलेक्ट्रिक वाहनों तक पहुंचा सकती हैं। यह तकनीक मूल रूप से वही है जो मोबाइल फोन को वायरलेस तरीके से रिचार्ज करने के लिए उपयोग की जाती है, और शोधकर्ताओं का कहना है कि इसका उपयोग इलेक्ट्रिक वाहनों को रिचार्ज करने के लिए भी किया जा सकता है जब वे नहीं चल रहे हों - उदाहरण के लिए, कार पार्क में।

उनका कहना है कि अधिक निकट अवधि के उपयोग बिजली ग्रिड से दूर इमारतों में हो सकते हैं, जिन्हें सुपरकैपेसिटर से जुड़े सौर पैनलों का उपयोग करके संचालित किया जा सकता है।

बहुत स्केलेबल प्रणाली

उल्म कहते हैं, सिस्टम बहुत स्केलेबल है, क्योंकि ऊर्जा-भंडारण क्षमता इलेक्ट्रोड की मात्रा के अनुपात में बढ़ती है। "आप 1-मिलीमीटर-मोटे इलेक्ट्रोड से 1-मीटर-मोटे इलेक्ट्रोड तक जा सकते हैं, और ऐसा करके मूल रूप से आप कुछ सेकंड के लिए एलईडी जलाने से लेकर पूरे घर को बिजली देने तक ऊर्जा भंडारण क्षमता को बढ़ा सकते हैं," वह बताते हैं। उन्होंने आगे कहा, किसी दिए गए एप्लिकेशन के लिए आवश्यक गुणों के आधार पर, मिश्रण को समायोजित करके सिस्टम को ट्यून किया जा सकता है। वाहन-चार्जिंग सड़क के लिए, बहुत तेज़ चार्जिंग और डिस्चार्जिंग दरों की आवश्यकता होगी, जबकि घर को बिजली देने के लिए "आपके पास इसे चार्ज करने के लिए पूरा दिन है", इसलिए धीमी-चार्जिंग सामग्री का उपयोग किया जा सकता है।

उल्म बताते हैं, "तथ्य यह है कि घटक सामग्रियां इतनी आसानी से उपलब्ध हैं कि ऊर्जा भंडारण समाधानों पर पुनर्विचार करने का एक नया तरीका खुल गया है।" भौतिकी की दुनिया. “पानी के बाद कंक्रीट, पृथ्वी पर सबसे अधिक उपभोग की जाने वाली सामग्री है, लेकिन इसकी पर्यावरणीय लागत नगण्य है, क्योंकि दुनिया भर में लगभग 8% CO2 उत्सर्जन विश्वव्यापी वार्षिक उत्पादन के 4 गीगाटन के परिणामस्वरूप होता है। इसलिए हमारा समग्र ध्यान कंक्रीट को एक बहुक्रियाशील सामग्री बनाने पर था जो एक अतिरिक्त उपयोगी सामाजिक कार्य प्रदान कर सके।"

उन्होंने कहा कि अगर हमें जलवायु परिवर्तन के प्रभाव को रोकना है तो ऊर्जा भंडारण आज बेहद महत्वपूर्ण है और पिछले अध्ययनों से पता चला है कि सीमेंट-कार्बन मिश्रण का उपयोग इलेक्ट्रॉन-संवाहक सीमेंट बनाने के लिए किया जा सकता है। हालाँकि, ऊर्जा भंडारण के लिए विद्युत चालकता पर्याप्त नहीं है। "हमने परिकल्पना की है कि हाइड्रोफोबिक कार्बन ब्लैक की उपस्थिति में हाइड्रोफिलिक सीमेंट को हाइड्रेट करना स्वाभाविक रूप से दो अन्य मानदंड प्रदान करना चाहिए जिनकी आवश्यकता है: भंडारण- और परिवहन-छिद्रता," उल्म कहते हैं।

शोधकर्ताओं का तत्काल ध्यान एक सुपरकैपेसिटर बनाना है जो 12V बैटरी के समान चार्ज स्टोर कर सके। उल्म कहते हैं, "हम इस उपकरण को अधिक उन्नत उपकरणों के लिए प्राथमिक ईंट मानते हैं।"

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