સુપરકેપેસિટર્સ એ યોગ્ય રીતે નામ આપવામાં આવેલ ઉપકરણ છે જે પરંપરાગત બેટરીઓ કરતાં વધુ ઝડપથી ઊર્જા સંગ્રહિત અને વિતરિત કરી શકે છે. તેઓ ઈલેક્ટ્રિક કાર, વાયરલેસ ટેલિકોમ્યુનિકેશન્સ અને હાઈ-પાવર લેસરો સહિતની એપ્લીકેશન માટે વધુ માંગમાં છે.

પરંતુ આ એપ્લિકેશનોને સમજવા માટે, સુપરકેપેસિટરને વધુ સારા ઇલેક્ટ્રોડ્સની જરૂર છે, જે સુપરકેપેસિટરને તેમની ઊર્જા પર આધારીત ઉપકરણો સાથે જોડે છે. આ ઈલેક્ટ્રોડ્સ મોટા પાયે બનાવવા માટે ઝડપી અને સસ્તા હોવા જોઈએ અને તેમના વિદ્યુત લોડને ઝડપથી ચાર્જ કરવા અને ડિસ્ચાર્જ કરવામાં સક્ષમ હોવા જોઈએ. યુનિવર્સિટી ઓફ વોશિંગ્ટન ખાતે એન્જિનિયરોની એક ટીમ વિચારે છે કે તેઓ સુપરકેપેસિટર ઇલેક્ટ્રોડ સામગ્રીના ઉત્પાદન માટેની પ્રક્રિયા સાથે આવ્યા છે જે આ કડક ઔદ્યોગિક અને વપરાશની માંગને પૂર્ણ કરશે.

સામગ્રી વિજ્ઞાન અને એન્જિનિયરિંગના UW સહાયક પ્રોફેસર પીટર પૌઝૌસ્કીની આગેવાની હેઠળના સંશોધકોએ 17 જુલાઈના રોજ નેચર માઇક્રોસિસ્ટમ્સ એન્ડ નેનોએન્જિનિયરિંગ જર્નલમાં તેમના સુપરકેપેસિટર ઇલેક્ટ્રોડ અને ઝડપી, સસ્તી રીતે તેને બનાવ્યું તેનું વર્ણન કરતું એક પેપર પ્રકાશિત કર્યું. તેમની નવલકથા પદ્ધતિ કાર્બન-સમૃદ્ધ સામગ્રીથી શરૂ થાય છે જેને એરોજેલ તરીકે ઓળખાતા ઓછી ઘનતાવાળા મેટ્રિક્સમાં સૂકવવામાં આવે છે. આ એરજેલ તેના પોતાના પર ક્રૂડ ઇલેક્ટ્રોડ તરીકે કાર્ય કરી શકે છે, પરંતુ પૌઝૌસ્કીની ટીમે તેની ક્ષમતા બમણી કરતાં વધુ કરી છે, જે તેની ઇલેક્ટ્રિક ચાર્જ સંગ્રહિત કરવાની ક્ષમતા છે.

આ સસ્તી પ્રારંભિક સામગ્રી, સુવ્યવસ્થિત સંશ્લેષણ પ્રક્રિયા સાથે જોડાયેલી, ઔદ્યોગિક ઉપયોગ માટેના બે સામાન્ય અવરોધોને ઘટાડે છે: કિંમત અને ઝડપ.

"ઔદ્યોગિક એપ્લિકેશનમાં, સમય એ પૈસા છે," પૌઝૌસ્કીએ કહ્યું. “અમે આ ઇલેક્ટ્રોડ્સ માટે પ્રારંભિક સામગ્રી અઠવાડિયાને બદલે કલાકોમાં બનાવી શકીએ છીએ. અને તે ઉચ્ચ-પ્રદર્શન સુપરકેપેસિટર ઇલેક્ટ્રોડ્સ બનાવવા માટે સંશ્લેષણ ખર્ચને નોંધપાત્ર રીતે ઘટાડી શકે છે."

અસરકારક સુપરકેપેસિટર ઇલેક્ટ્રોડ કાર્બન-સમૃદ્ધ સામગ્રીમાંથી સંશ્લેષણ કરવામાં આવે છે જેની સપાટી પણ ઊંચી હોય છે. સુપરકેપેસિટર્સ ઇલેક્ટ્રિક ચાર્જને સંગ્રહિત કરવાની અનન્ય રીતને કારણે બાદની આવશ્યકતા મહત્વપૂર્ણ છે. જ્યારે પરંપરાગત બેટરી તેની અંદર થતી રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓ દ્વારા ઇલેક્ટ્રિક ચાર્જનો સંગ્રહ કરે છે, ત્યારે સુપરકેપેસિટર તેની સપાટી પર સીધા જ હકારાત્મક અને નકારાત્મક ચાર્જને સંગ્રહિત કરે છે અને અલગ કરે છે.

"સુપરકેપેસિટર્સ બેટરી કરતાં વધુ ઝડપથી કાર્ય કરી શકે છે કારણ કે તે પ્રતિક્રિયાની ગતિ અથવા રચના કરી શકે તેવા આડપેદાશો દ્વારા મર્યાદિત નથી," સહ-મુખ્ય લેખક મેથ્યુ લિમ, સામગ્રી વિજ્ઞાન અને એન્જિનિયરિંગ વિભાગમાં UW ડોક્ટરલ વિદ્યાર્થીએ જણાવ્યું હતું. "સુપરકેપેસિટર્સ ખૂબ જ ઝડપથી ચાર્જ અને ડિસ્ચાર્જ કરી શકે છે, તેથી જ તેઓ પાવરના આ 'કઠોળ' પહોંચાડવામાં મહાન છે."

યુડબ્લ્યુ ડિપાર્ટમેન્ટ ઓફ કેમિકલ એન્જિનિયરિંગમાં ડોક્ટરલ વિદ્યાર્થી, સાથી મુખ્ય લેખક મેથ્યુ ક્રેને જણાવ્યું હતું કે, "તેમની પાસે સેટિંગ્સમાં ખૂબ જ સારી એપ્લિકેશન છે જ્યાં તેની પોતાની બેટરી ખૂબ ધીમી હોય છે." "જે ક્ષણોમાં બેટરી ઊર્જાની માંગને પહોંચી વળવા માટે ખૂબ જ ધીમી હોય છે, ઉચ્ચ સપાટીના ક્ષેત્રના ઇલેક્ટ્રોડ સાથેનું સુપરકેપેસિટર ઝડપથી 'કિક' કરી શકે છે અને ઊર્જાની ખોટને પૂરી કરી શકે છે."

કાર્યક્ષમ ઇલેક્ટ્રોડ માટે ઉચ્ચ સપાટી વિસ્તાર મેળવવા માટે, ટીમે એરોજેલ્સનો ઉપયોગ કર્યો. આ ભીના, જેલ જેવા પદાર્થો છે જે તેમના પ્રવાહી ઘટકોને હવા અથવા અન્ય ગેસથી બદલવા માટે સૂકવવા અને ગરમ કરવાની વિશેષ પ્રક્રિયામાંથી પસાર થયા છે. આ પદ્ધતિઓ જેલની 3-D માળખું સાચવે છે, તેને ઉચ્ચ સપાટી વિસ્તાર અને અત્યંત ઓછી ઘનતા આપે છે. તે જેલ-ઓમાંથી તમામ પાણીને સંકોચાયા વિના દૂર કરવા જેવું છે.

પૌઝૌસ્કીએ કહ્યું, "એક ગ્રામ એરજેલ એક ફૂટબોલ મેદાન જેટલું સપાટીનું ક્ષેત્રફળ ધરાવે છે."

ક્રેને જેલ જેવા પોલિમરમાંથી એરોજેલ્સ બનાવ્યા, જે પુનરાવર્તિત માળખાકીય એકમો સાથેની સામગ્રી છે, જે ફોર્માલ્ડીહાઇડ અને અન્ય કાર્બન-આધારિત પરમાણુઓમાંથી બનાવેલ છે. આ સુનિશ્ચિત કરે છે કે તેમના ઉપકરણ, જેમ કે આજના સુપરકેપેસિટર ઇલેક્ટ્રોડ્સ, કાર્બન-સમૃદ્ધ સામગ્રી ધરાવે છે.

અગાઉ, લિમે દર્શાવ્યું હતું કે જેલમાં ગ્રાફીન-જે માત્ર એક અણુની જાડી કાર્બનની શીટ છે- ઉમેરવાથી પરિણામી એરજેલને સુપરકેપેસિટર ગુણધર્મો સાથે જોડવામાં આવે છે. પરંતુ, એરોજેલની કામગીરીમાં સુધારો કરવા અને સંશ્લેષણ પ્રક્રિયાને સસ્તી અને સરળ બનાવવા માટે લિમ અને ક્રેનની જરૂર છે.

લિમના અગાઉના પ્રયોગોમાં, ગ્રાફીન ઉમેરવાથી એરોજેલની ક્ષમતામાં સુધારો થયો ન હતો. તેથી તેઓએ તેના બદલે મોલિબ્ડેનમ ડિસલ્ફાઇડ અથવા ટંગસ્ટન ડિસલ્ફાઇડની પાતળી શીટ્સ સાથે એરોજેલ્સ લોડ કર્યા. બંને રસાયણો આજે ઔદ્યોગિક લુબ્રિકન્ટ્સમાં વ્યાપકપણે ઉપયોગમાં લેવાય છે.

સંશોધકોએ ઉચ્ચ-આવર્તન ધ્વનિ તરંગો સાથે બંને સામગ્રીને પાતળા શીટ્સમાં તોડવા માટે સારવાર કરી અને તેમને કાર્બન-સમૃદ્ધ જેલ મેટ્રિક્સમાં સમાવિષ્ટ કર્યા. તેઓ બે કલાકથી ઓછા સમયમાં સંપૂર્ણ લોડ કરેલી ભીની જેલનું સંશ્લેષણ કરી શકે છે, જ્યારે અન્ય પદ્ધતિઓમાં ઘણા દિવસો લાગશે.

સૂકા, ઓછી ઘનતાવાળા એરોજેલ મેળવ્યા પછી, તેઓએ તેને એડહેસિવ્સ અને અન્ય કાર્બન-સમૃદ્ધ સામગ્રી સાથે જોડીને ઔદ્યોગિક "કણક" બનાવ્યું, જે લિમ ફક્ત એક ઇંચના થોડા હજારમા ભાગની જાડાઈમાં શીટ્સમાં ફેરવી શકે છે. તેઓએ કણકમાંથી અડધા ઇંચની ડિસ્ક કાપી અને સુપરકેપેસિટર ઇલેક્ટ્રોડ તરીકે સામગ્રીની અસરકારકતા ચકાસવા માટે તેને સાદા સિક્કા સેલ બેટરી કેસીંગમાં એસેમ્બલ કરી.

તેમના ઇલેક્ટ્રોડ્સ ઝડપી, સરળ અને સંશ્લેષણ કરવા માટે સરળ હતા એટલું જ નહીં, પરંતુ તેઓ એકલા કાર્બન-સમૃદ્ધ એરજેલ કરતાં ઓછામાં ઓછા 127 ટકા વધારે કેપેસિટીન્સ પણ ધરાવે છે.

લિમ અને ક્રેન અપેક્ષા રાખે છે કે મોલિબ્ડેનમ ડિસલ્ફાઇડ અથવા ટંગસ્ટન ડિસલ્ફાઇડની પાતળી શીટ્સથી ભરેલા એરોજેલ્સ-તેમની જાડાઈ લગભગ 10 થી 100 અણુઓ હતી-તેઓ વધુ સારું પ્રદર્શન બતાવશે. પરંતુ પ્રથમ, તેઓ એ બતાવવા માંગતા હતા કે લોડ થયેલ એરોજેલ્સનું સંશ્લેષણ ઝડપી અને સસ્તું હશે, જે ઔદ્યોગિક ઉત્પાદન માટે જરૂરી પગલું છે. ફાઇન-ટ્યુનિંગ આગળ આવે છે.

ટીમ માને છે કે આ પ્રયાસો સુપરકેપેસિટર ઇલેક્ટ્રોડ્સના ક્ષેત્રની બહાર પણ વિજ્ઞાનને આગળ વધારવામાં મદદ કરી શકે છે. તેમનું એરોજેલ-સસ્પેન્ડેડ મોલીબડેનમ ડાયસલ્ફાઇડ હાઇડ્રોજન ઉત્પાદનને ઉત્પ્રેરિત કરવા માટે પૂરતા પ્રમાણમાં સ્થિર રહી શકે છે. અને એરોજેલ્સમાં સામગ્રીને ઝડપથી ફસાવવાની તેમની પદ્ધતિ ઉચ્ચ કેપેસિટેન્સ બેટરી અથવા કેટાલિસિસ પર લાગુ કરી શકાય છે.