Supercapacitors ایک مناسب طریقے سے نامزد کردہ آلہ ہے جو روایتی بیٹریوں کے مقابلے میں تیزی سے توانائی کو ذخیرہ اور فراہم کر سکتا ہے. وہ الیکٹرک کاروں، وائرلیس ٹیلی کمیونیکیشنز اور اعلیٰ طاقت والے لیزرز سمیت ایپلی کیشنز کی زیادہ مانگ میں ہیں۔

لیکن ان ایپلی کیشنز کو محسوس کرنے کے لیے، سپر کیپیسیٹرز کو بہتر الیکٹروڈز کی ضرورت ہوتی ہے، جو سپر کیپیسیٹر کو ان آلات سے جوڑتے ہیں جو ان کی توانائی پر منحصر ہوتے ہیں۔ ان الیکٹروڈز کو بڑے پیمانے پر بنانے کے لیے تیز اور سستا ہونے کی ضرورت ہوتی ہے اور ان کے برقی بوجھ کو تیزی سے چارج کرنے اور خارج کرنے کے قابل بھی ہوتے ہیں۔ یونیورسٹی آف واشنگٹن میں انجینئرز کی ایک ٹیم کا خیال ہے کہ وہ سپر کیپیسیٹر الیکٹروڈ مواد تیار کرنے کے لیے ایک ایسا عمل لے کر آئے ہیں جو ان سخت صنعتی اور استعمال کے تقاضوں کو پورا کرے گا۔

میٹریل سائنس اور انجینئرنگ کے UW کے اسسٹنٹ پروفیسر پیٹر پازاؤسکی کی سربراہی میں محققین نے 17 جولائی کو نیچر مائیکرو سسٹمز اینڈ نینو انجینیئرنگ جریدے میں ایک مقالہ شائع کیا جس میں ان کے سپر کیپسیٹر الیکٹروڈ اور تیز رفتار، سستے طریقے سے اسے بنایا گیا تھا۔ ان کا نیا طریقہ کاربن سے بھرپور مواد سے شروع ہوتا ہے جسے کم کثافت والے میٹرکس میں خشک کیا جاتا ہے جسے ایروجیل کہتے ہیں۔ یہ ایرجیل اپنے طور پر ایک خام الیکٹروڈ کے طور پر کام کر سکتا ہے، لیکن پازاؤسکی کی ٹیم نے اس کی گنجائش کو دوگنا کر دیا، جو کہ اس کی برقی چارج کو ذخیرہ کرنے کی صلاحیت ہے۔

یہ سستے ابتدائی مواد، ایک منظم ترکیب کے عمل کے ساتھ مل کر، صنعتی استعمال میں دو عام رکاوٹوں کو کم کرتے ہیں: لاگت اور رفتار۔

"صنعتی ایپلی کیشنز میں، وقت پیسہ ہے،" پازاؤسکی نے کہا۔ "ہم ان الیکٹروڈ کے لیے ابتدائی مواد ہفتوں کے بجائے گھنٹوں میں بنا سکتے ہیں۔ اور یہ اعلی کارکردگی والے سپر کیپیسیٹر الیکٹروڈ بنانے کے لیے ترکیب کی لاگت کو نمایاں طور پر کم کر سکتا ہے۔

موثر سپر کیپیسیٹر الیکٹروڈ کاربن سے بھرپور مواد سے ترکیب کیے جاتے ہیں جن کی سطح کا رقبہ بھی زیادہ ہوتا ہے۔ مؤخر الذکر ضرورت انتہائی اہم ہے کیونکہ سپر کیپیسیٹرز برقی چارج کو ذخیرہ کرنے کے منفرد طریقے سے۔ جب کہ ایک روایتی بیٹری اپنے اندر ہونے والے کیمیائی رد عمل کے ذریعے برقی چارجز کو ذخیرہ کرتی ہے، اس کے بجائے ایک سپر کیپیسیٹر مثبت اور منفی چارجز کو براہ راست اپنی سطح پر محفوظ اور الگ کرتا ہے۔

"Supercapacitors بیٹریوں کے مقابلے میں زیادہ تیزی سے کام کر سکتے ہیں کیونکہ وہ رد عمل کی رفتار سے محدود نہیں ہیں یا ان کی طرف سے جو بن سکتے ہیں،" شریک لیڈ مصنف میتھیو لم نے کہا، میٹریل سائنس اینڈ انجینئرنگ کے شعبہ میں UW ڈاکٹریٹ کے طالب علم۔ "سپر کیپیسیٹرز بہت تیزی سے چارج اور خارج ہو سکتے ہیں، یہی وجہ ہے کہ وہ طاقت کی ان 'دالوں' کو فراہم کرنے میں بہت اچھے ہیں۔"

UW ڈیپارٹمنٹ آف کیمیکل انجینئرنگ میں ڈاکٹریٹ کے طالب علم، ساتھی لیڈ مصنف میتھیو کرین نے کہا، "ان کے پاس سیٹنگز میں زبردست ایپلی کیشنز ہیں جہاں ایک بیٹری خود ہی بہت سست ہوتی ہے۔" "ان لمحات میں جہاں ایک بیٹری توانائی کی ضروریات کو پورا کرنے کے لیے بہت سست ہے، ایک اعلی سطحی علاقے کے الیکٹروڈ کے ساتھ ایک سپر کپیسیٹر تیزی سے 'کک' کر سکتا ہے اور توانائی کی کمی کو پورا کر سکتا ہے۔"

ایک موثر الیکٹروڈ کے لیے اونچی سطح کا علاقہ حاصل کرنے کے لیے، ٹیم نے ایروجیلز کا استعمال کیا۔ یہ گیلے، جیل نما مادے ہیں جو اپنے مائع اجزاء کو ہوا یا کسی اور گیس سے بدلنے کے لیے خشک کرنے اور گرم کرنے کے خصوصی علاج سے گزرے ہیں۔ یہ طریقے جیل کے 3-D ڈھانچے کو محفوظ رکھتے ہیں، جس سے اسے ایک اعلی سطحی علاقہ اور انتہائی کم کثافت ملتی ہے۔ یہ جیل او سے تمام پانی کو بغیر کسی سکڑ کے نکالنے جیسا ہے۔

پوزاؤسکی نے کہا کہ "ایک گرام ایرجیل ایک فٹ بال کے میدان جتنا سطحی رقبہ پر مشتمل ہے۔

کرین نے جیل نما پولیمر سے ایروجیلز بنائے، ایک ایسا مواد جس میں ساختی اکائیوں کو دہرایا جاتا ہے، جو فارملڈہائیڈ اور دیگر کاربن پر مبنی مالیکیولز سے بنایا جاتا ہے۔ اس نے اس بات کو یقینی بنایا کہ ان کا آلہ، جیسے آج کے سپر کیپیسیٹر الیکٹروڈز، کاربن سے بھرپور مواد پر مشتمل ہوگا۔

اس سے پہلے، لم نے یہ ظاہر کیا کہ جیل میں گرافین - جو کاربن کی ایک شیٹ ہے جو صرف ایک ایٹم موٹی ہے - کو شامل کرنے سے نتیجے میں پیدا ہونے والے ایرجیل کو سپر کیپیسیٹر خصوصیات کے ساتھ مل جاتا ہے۔ لیکن، لم اور کرین کو ایروجیل کی کارکردگی کو بہتر بنانے، اور ترکیب کے عمل کو سستا اور آسان بنانے کی ضرورت ہے۔

لم کے پچھلے تجربات میں، گرافین کو شامل کرنے سے ایروجیل کی گنجائش بہتر نہیں ہوئی تھی۔ لہذا انہوں نے اس کے بجائے مولیبڈینم ڈسلفائیڈ یا ٹنگسٹن ڈسلفائیڈ کی پتلی چادروں کے ساتھ ایروجیلز کو لوڈ کیا۔ دونوں کیمیکل آج صنعتی چکنا کرنے والے مادوں میں بڑے پیمانے پر استعمال ہوتے ہیں۔

محققین نے دونوں مواد کو اعلی تعدد والی آواز کی لہروں کے ساتھ علاج کیا تاکہ انہیں پتلی چادروں میں توڑ دیا جائے اور انہیں کاربن سے بھرپور جیل میٹرکس میں شامل کیا جائے۔ وہ مکمل طور پر بھری ہوئی گیلے جیل کو دو گھنٹے سے بھی کم وقت میں ترکیب کر سکتے ہیں، جبکہ دیگر طریقوں میں کئی دن لگ سکتے ہیں۔

خشک، کم کثافت والے ایروجیل کو حاصل کرنے کے بعد، انہوں نے اسے چپکنے والے اور کاربن سے بھرپور ایک اور مواد کے ساتھ ملا کر ایک صنعتی "آٹا" بنایا، جسے لم آسانی سے ایک انچ موٹی کے چند ہزارویں حصے کی چادروں میں لپیٹ سکتا ہے۔ انہوں نے آٹے سے آدھے انچ کی ڈسکیں کاٹیں اور انہیں سادہ کوائن سیل بیٹری کیسنگ میں جمع کیا تاکہ مادے کی ایک سپر کیپیسیٹر الیکٹروڈ کے طور پر تاثیر جانچ سکے۔

نہ صرف ان کے الیکٹروڈز تیز، سادہ اور ترکیب سازی کے لیے آسان تھے، بلکہ انھوں نے صرف کاربن سے بھرپور ایرجیل سے کم از کم 127 فیصد زیادہ گنجائش بھی رکھی۔

لم اور کرین توقع کرتے ہیں کہ مولبڈینم ڈسلفائیڈ یا ٹنگسٹن ڈسلفائیڈ کی اس سے بھی زیادہ پتلی چادروں سے لدے ایروجیلز — ان کی موٹی تقریباً 10 سے 100 ایٹم تھی — اور بھی بہتر کارکردگی دکھائیں گے۔ لیکن پہلے، وہ یہ دکھانا چاہتے تھے کہ بھری ہوئی ایروجیلز کی ترکیب سازی تیز اور سستی ہوگی، جو صنعتی پیداوار کے لیے ایک ضروری قدم ہے۔ فائن ٹیوننگ اگلی آتی ہے۔

ٹیم کا خیال ہے کہ یہ کوششیں سپر کیپیسیٹر الیکٹروڈ کے دائرے سے باہر بھی سائنس کو آگے بڑھانے میں مدد کر سکتی ہیں۔ ان کا ایروجیل معطل شدہ مولیبڈینم ڈسلفائیڈ ہائیڈروجن کی پیداوار کو متحرک کرنے کے لیے کافی حد تک مستحکم رہ سکتا ہے۔ اور ایروجیلز میں مواد کو تیزی سے پھنسانے کے لیے ان کا طریقہ ہائی کیپیسیٹنس بیٹریوں یا کیٹالیسس پر لاگو کیا جا سکتا ہے۔