नैनोबॉल बैटरियां

नैनोबॉल बैटरी एक प्रयोगात्मक प्रकार की बैटरी है जिसमें धनारिन(कैथोड) या धनोद(एनोड) नैनो आकार की बॉल(गोल) से बने होते हैं जो कार्बन और लिथियम आयरन फॉस्फेट जैसी विभिन्न सामग्रियों से बने हो सकते हैं। जो बैटरियां नैनोप्रौद्योगिकी का उपयोग करती हैं, वे नियमित बैटरियों की तुलना में अधिक सक्षम होती हैं क्योंकि उनके सतह क्षेत्र में पर्याप्त सुधार होता है जो शीघ्रता से चार्जिंग और डिस्चार्जिंग जैसे अधिक विद्युत प्रदर्शन की अनुमति देता है।

2009 में, एमआईटी के शोधकर्ता इस तकनीक का उपयोग करके 10 सेकंड में एक साधारण लिथियम आयरन फॉस्फेट नैनोबॉल बैटरी को चार्ज(आवेशित करना) करने में सक्षम थे। सैद्धांतिक रूप में, यह छोटे इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को शीघ्रता से चार्ज करने की अनुमति देगा जबकि बड़ी बैटरियां अभी भी मुख्य बिजली द्वारा सीमित होंगी।

निर्माण
कार्बन नैनोबॉल बनाने से पहले, एक कार्बन रॉड(छड़) बनाई जानी चाहिए। कार्बन रॉड को कोक चूर्ण (कुछ अशुद्धियों और उच्च कार्बन सामग्री के साथ ईंधन स्रोत का प्रकार) के साथ एसिटिलीन की उपस्थिति में तैयार किया जाता है और चाप निर्वहन तकनीक का उपयोग करके बनाया जाता है। चाप निर्वहन तकनीक धनोद और धनारिन के रूप में दो उच्च शुद्धता वाले ग्रेफाइट विद्युदग्र का उपयोग करती है जो डीसी (डायरेक्ट धारा) धारा के पारित होने से वाष्पीकृत हो जाते हैं। कुछ समय के लिए चाप निर्वहन के बाद, धनारिन पर एक कार्बन रॉड बनाई जाती है। फिर कार्बन रॉड को डीसी चाप निर्वहन प्रतिघातक में डाल दिया जाता है। कार्बन रॉड धनोद के रूप में कार्य करती है जबकि उच्च शुद्धता वाली ग्रेफाइट रॉड धनारिन के रूप में कार्य करती है। 0.05 से 0.06 एमपीए (मेगापास्कल) के दबाव पर एसिटिलीन माध्यम में दो छड़ों के माध्यम से 70-90 एम्पीयर तक समायोजित धारा प्रवाहित की गई। चाप वाष्पीकरण प्रक्रिया के समय कार्बन रॉड पर कार्बन नैनोबॉल बनते हैं। फिर कार्बन नैनोबॉल की जांच एफ़इ - एसइम ( क्षेत्र उत्सर्जन अवलोकन इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदशंक यंत्र ) और एसटीइम (अवलोकन संचरण इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदशंक यंत्र) का उपयोग करके की गई, जो 200 kV (किलो-वोल्ट), एक्स-रे विवर्तन पर संचालित ऊर्जा फैलाने वाले एक्स-रे सुसज्जित था। रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी से बनने वाले अधिकांश कार्बन नैनोबॉल धातुमल (गर्मी और/या दबाव द्वारा निर्मित सामग्री का ठोस द्रव्यमान) थे। समूह के स्थान पर व्यक्तियों के रूप में उपस्थित नैनोबॉलों की अनुरेखण मात्रा का भी पता लगाया गया और साथ ही कुछ कपास जैसी नैनो-सामग्रियों का भी पता लगाया गया।

परिणाम
अनहुई प्रौद्योगिकी विश्वविद्यालय द्वारा किए गए परीक्षणों से पता चला है कि सेल विद्युदग्र के अंदर कार्बन नैनोबॉल में उच्च प्रतिवर्ती क्षमता और लगभग 74% की क्षमता प्रतिधारण दर होती है। इसका तात्पर्य है कि बैटरी बहुत शीघ्र डिस्चार्ज हो सकती है और सही परिस्थितियों में बैटरी के पास अपनी कुल ऊर्जा का लगभग तीन-चौथाई उपलब्ध है। इंस्टीट्यूट ऑफ मैटेरियल्स एंड टेक्नोलॉजी, डालियान मैरीटाइम यूनिवर्सिटी द्वारा किए गए परीक्षणों से यह भी पता चला है कि कार्बन नैनोबॉल का उपयोग सिलिकॉन जैसी अन्य सामग्रियों के ऊर्जा उत्पादन को और बढ़ाने के लिए किया जा सकता है। सिलिकॉन-कार्बन नैनोबॉल की आणविक संरचना को परिवर्तन से उच्च चार्ज और डिस्चार्ज क्षमता, लंबे समय तक आवर्तन स्थिरता (बैटरी को परिवर्तन की आवश्यकता से पहले का समय), और एक अच्छा दर प्रदर्शन हो सकता है।

लिथियम आयरन फॉस्फेट नैनोबॉल का निर्माण
कार्बन की तरह लिथियम भी एक अच्छा ऊर्जा संवाहक है। यह वाणिज्यिक लिथियम-आयन बैटरियों में भी पहले से ही उपयोग में है। लिथियम एक अच्छा ऊर्जा संवाहक बनाता है क्योंकि यह आयनों को अन्य तत्वों की तुलना में शीघ्रता से स्थानांतरित करने की अनुमति देता है और उस ऊर्जा को लंबे समय तक बनाए रखने में भी सक्षम है। शोध से पता चला है कि फॉस्फेट कण को ​​LiFePO4 (लिथियम आयरन फॉस्फेट) की परत से आवरण करने से आयन स्थानांतरण की दर और भी तेज हो जाती है। लिथियम आयरन फॉस्फेट को Li 2CO3 (लिथियम कार्बोनेट). FeC2O4 (आयरन(II) ऑक्सालेट), और NH4H2बाद4 (अमोनियम डाइहाइड्रोजन फॉस्फेट) का उपयोग करके ठोस-अवस्था प्रतिक्रिया द्वारा बनाया गया था। फिर यौगिकों को एसीटोन में रखा गया और बॉल-मिल्ड (एक विशेष बेलनाकार उपकरण में सामग्री को एक साथ पीसकर) 10 घंटे के लिए 350 डिग्री सेल्सियस पर गर्म किया गया और फिर कमरे के तापमान पर ठंडा करने की अनुमति दी गई, फिर मिश्रण को 10,000 पाउंड दबाव के तहत गोलीबद्ध किया गया। आर्गन के तहत 10 घंटे के लिए 600°C पर पुनः गर्म करने से पहले निर्मित प्रत्येक नैनोबॉल का व्यास लगभग 50 एनएम (नैनोमीटर) मापा गया। सामान्य परिस्थितियों में, विद्युत रासायनिक प्रणाली (जैसे, बैटरी) केवल उत्तमकैपेसिटर के साथ उच्च बिजली दर प्राप्त कर सकते हैं। उत्तमकैपेसिटर एक विद्युदग्र पर आवेशित प्रजातियों की सतह सोखना प्रतिक्रियाओं के माध्यम से ऊर्जा संग्रहीत करके उच्च शक्ति दर प्राप्त करते हैं। यद्यपि, इसके परिणामस्वरूप कम ऊर्जा घनत्व होता है। किसी सामग्री की सतह पर केवल चार्ज जमा करने के स्थान पर, लिथियम आयरन फॉस्फेट स्वयं के बड़े भाग (कार्बन नैनोबॉल के आंतरिक भाग) में चार्ज जमा करके उच्च शक्ति दर और उच्च ऊर्जा घनत्व प्राप्त कर सकता है। यह संभव है क्योंकि लिथियम आयरन फॉस्फेट में उच्च लिथियम थोक गतिशीलता होती है। नियंत्रित ऑफ-स्टोइकोमेट्री (आणविक समीकरण में अभिकारकों और उत्पादों के मोल से मोल अनुपात को नियंत्रित करना) के माध्यम से एक तीव्र आयन-संचालन सतह चरण बनाना एक अति तीव्र डिस्चार्ज दर को सक्षम करता है।

परिणाम
30% सक्रिय सामग्री, 65% कार्बन और 5% बंधक वाले विद्युदग्र पर डिस्चार्ज दर परीक्षण आयोजित किए गए। लिथियम आयरन फॉस्फेट नैनोबॉल को आर्गन से भरे दस्ताने बॉक्स में एकत्रित किया गया और मैककोर 2200 (बैटरी परीक्षण प्रणाली का प्रकार) का उपयोग करके परीक्षण किया गया। मैककोर 2000 को गैल्वेनोस्टैटिक प्रकार (विद्युत रासायनिक प्रदर्शन को मापता है) पर संग्रह किया गया था और धनोद और अतिरिक्त-जलीय इलेक्ट्रोलाइट के रूप में लिथियम धातु और विभाजक के रूप में सेल्गार्ड 2600 या 2500 का उपयोग किया गया था। अंतिम डिस्चार्ज दर इतनी तीव्र थी कि बैटरी को लगभग 10-20 सेकंड में चार्ज किया जा सकता था, जो सामान्य बैटरी की तुलना में लगभग 100 गुना तीव्र था।

व्यावसायिक उपयोग
चूँकि यह प्रयोगशाला वातावरण में की गई प्रायोगिक प्रक्रिया है, इसलिए अभी तक कोई भी व्यावसायिक उत्पाद नहीं आया है जिसने इस प्रकार की तकनीक को लागू किया हो। टेस्ला मोटर्स ने अपने वाहनों में नैनोबॉल बैटरी लागू करने के विषय में विचार किया है, लेकिन जितनी ऊर्जा की आवश्यकता है और उतनी ऊर्जा को स्थानांतरित करने के लिए आवश्यक केबल इसे अत्यधिक अक्षम बना देगी। इस समय, नैनोबॉल बैटरियां अभी भी प्रायोगिक चरण में हैं। कारों और फोन में प्रयोग होने के अलावा, नैनोबॉल बैटरियों का प्रयोग तीसरी जगत के देशों और आपदाग्रस्त क्षेत्रों में बचाव के लिए भी किया जा सकता है क्योंकि उनका छोटा आकार और उच्च डिस्चार्ज दर ऊर्जा को शीघ्रता से और कुशलता से चारों ओर फैलाने की अनुमति देगा।

भविष्य
नैनोबॉल बैटरियां पर्याप्त संभावनाएं दिखाती हैं लेकिन वर्तमान बैटरियों को परिवर्तन के लिए एक व्यवहार्य विकल्प बनने से पहले उनमें सुधार करना होगा। भविष्य के अनुसंधान में नैनोबॉल को लिथियम सेल के धनारिन में एकीकृत करने या बैटरी में सिलिकॉन जैसी अन्य सामग्रियों के साथ नैनोबॉल को विलय करने का प्रयास सम्मिलित होगा। ईस्ट चाइना यूनिवर्सिटी ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी के स्कूल ऑफ मटेरियल साइंस एंड इंजीनियरिंग में किए गए शोध से पता चला है कि सिलिकॉन नैनोबॉल को ग्राफीन/कार्बन आवरण के साथ आवरण करने से सिलिकॉन नैनोबॉल बहुत शीघ्रता से नष्ट नहीं होता है और बैटरी के समग्र विद्युत यांत्रिक प्रदर्शन में सुधार होता है। कारों और अन्य विद्युत वाहनों में व्यावसायिक उपयोग के लिए, नैनोबॉल बैटरी को कम ऊर्जा का उपयोग करके वाहन को चार्ज करने में सक्षम होना चाहिए। यद्यपि बैटरी बहुत शीघ्र डिस्चार्ज हो सकती है, फिर भी बैटरी में जाने के लिए बहुत अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है। एक और अभिप्राय जिसे सुधारने की आवश्यकता है वह यह है कि भले ही बैटरी शीघ्र डिस्चार्ज हो सकती है, लेकिन उसे इतनी अधिक ऊर्जा को लंबे समय तक बनाए रखने में कठिनाई होती है। बैटरी कितनी ऊर्जा धारण कर सकती है इसकी सीमा बढ़ाने से बैटरी अधिक कुशल हो जाएगी। प्रौद्योगिकी छोटी बैटरियों के लिए भी अनुमति दे सकती है क्योंकि धनारिन सामग्री वर्तमान उत्पादन बैटरियों की तुलना में धीमी गति से नष्ट होती है।

यह भी देखें

 * बैटरी प्रकारों की सूची
 * नैनोवायर बैटरी