नैनोबॉल बैटरियां

नैनोबॉल बैटरी एक प्रयोगात्मक प्रकार की बैटरी है जिसमें कैथोड या एनोड नैनो आकार की गेंदों से बने होते हैं जो कार्बन और लिथियम आयरन फॉस्फेट जैसी विभिन्न सामग्रियों से बने हो सकते हैं। जो बैटरियां नैनोटेक्नोलॉजी का उपयोग करती हैं, वे नियमित बैटरियों की तुलना में अधिक सक्षम होती हैं क्योंकि उनके सतह क्षेत्र में काफी सुधार होता है जो तेजी 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 करने में सक्षम थे। सिद्धांत रूप में, यह छोटे इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को तेजी 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 बनाई जानी चाहिए। कार्बन रॉड को कोक पाउडर (कुछ अशुद्धियों और उच्च कार्बन सामग्री के साथ ईंधन स्रोत का प्रकार) के साथ एसिटिलीन की उपस्थिति में तैयार किया जाता है और आर्क डिस्चार्ज तकनीक का उपयोग करके बनाया जाता है। आर्क डिस्चार्ज तकनीक एनोड और कैथोड के रूप में दो उच्च शुद्धता वाले ग्रेफाइट इलेक्ट्रोड का उपयोग करती है जो डीसी (डायरेक्ट करंट) करंट के पारित होने से वाष्पीकृत हो जाते हैं। कुछ समय के लिए आर्क डिस्चार्जिंग के बाद, कैथोड पर एक कार्बन रॉड बनाई जाती है। फिर कार्बन रॉड को डीसी आर्क डिस्चार्ज रिएक्टर में डाल दिया जाता है। कार्बन रॉड एनोड के रूप में कार्य करती है जबकि उच्च शुद्धता वाली ग्रेफाइट रॉड कैथोड 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 करंट प्रवाहित किया गया था। आर्क वाष्पीकरण प्रक्रिया के दौरान कार्बन रॉड पर कार्बन नैनोबॉल बनते हैं। फिर कार्बन नैनोबॉल की जांच FE-SEM ( फ़ील्ड उत्सर्जन स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप ) और STEM (स्कैनिंग ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप) का उपयोग करके की गई, जो 200 kV (किलो-वोल्ट), एक्स-रे विवर्तन पर संचालित ऊर्जा फैलाने वाले एक्स-रे से सुसज्जित था।, और रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी। बनने वाले अधिकांश कार्बन नैनोबॉल सिंटर (गर्मी और/या दबाव द्वारा निर्मित सामग्री का ठोस द्रव्यमान) थे। समूह के बजाय व्यक्तियों के रूप में मौजूद नैनोबॉलों की ट्रेस 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 इलेक्ट्रोड के अंदर कार्बन नैनोबॉल में उच्च प्रतिवर्ती क्षमता और लगभग 74% की क्षमता प्रतिधारण दर होती है। इसका मतलब है कि बैटरी बहुत जल्दी 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 बदलने से उच्च चार्ज और डिस्चार्ज क्षमता, लंबे समय तक साइकिल चलाने की स्थिरता (बैटरी को बदलने 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 तेजी 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 पर LiFePO की परत चढ़ा दी जाती है4 (लिथियम आयरन फॉस्फेट) आयन स्थानांतरण की और भी तेज़ दर की अनुमति देता है। लिथियम आयरन फॉस्फेट को ली का उपयोग करके ठोस-अवस्था प्रतिक्रिया द्वारा बनाया गया था2सीओ3 (लिथियम कार्बोनेट), FeC2O4 (आयरन(II) ऑक्सालेट), और NH4H2बाद4 (अमोनियम डाइहाइड्रोजन फॉस्फेट)। फिर यौगिकों को एसीटोन में रखा गया और बॉल-मिल्ड (एक विशेष बेलनाकार उपकरण में सामग्री को एक साथ पीसना) 10 घंटे के लिए 350 डिग्री सेल्सियस पर गर्म करने से पहले 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 दोबारा गर्म करने से पहले। निर्मित प्रत्येक नैनोबॉल का व्यास लगभग 50 एनएम (नैनोमीटर) मापा गया। सामान्य परिस्थितियों में, इलेक्ट्रोकेमिकल सिस्टम (जैसे, बैटरी) केवल सुपरकैपेसिटर के साथ उच्च बिजली दर प्राप्त कर सकते हैं। सुपरकैपेसिटर एक इलेक्ट्रोड पर आवेशित प्रजातियों की सतह सोखना प्रतिक्रियाओं के माध्यम से ऊर्जा संग्रहीत करके उच्च शक्ति दर प्राप्त करते हैं। हालाँकि, इसके परिणामस्वरूप कम ऊर्जा घनत्व होता है। किसी सामग्री की सतह पर केवल चार्ज जमा करने के बजाय, लिथियम आयरन फॉस्फेट स्वयं के बड़े हिस्से (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 तेज़ आयन-संचालन सतह चरण बनाना एक अल्ट्राफास्ट डिस्चार्ज दर को सक्षम करता है।

परिणाम
30% सक्रिय सामग्री, 65% कार्बन और 5% बाइंडर वाले इलेक्ट्रोड पर डिस्चार्ज दर परीक्षण आयोजित किए गए। लिथियम आयरन फॉस्फेट नैनोबॉल को आर्गन से भरे दस्ताने बॉक्स में इकट्ठा किया गया और मैककोर 2200 (बैटरी परीक्षण प्रणाली का प्रकार) का उपयोग करके परीक्षण किया गया। मैककोर 2000 को गैल्वेनोस्टैटिक मोड (इलेक्ट्रोकेमिकल प्रदर्शन को मापता है) पर सेट किया गया था और एनोड और गैर-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 तेज़ थी कि बैटरी को लगभग 10-20 सेकंड में चार्ज किया जा सकता था, जो सामान्य बैटरी की तुलना में लगभग 100 गुना तेज़ था।

व्यावसायिक उपयोग
चूँकि यह एक प्रयोगशाला वातावरण में की गई एक 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 बारे में सोचा है, लेकिन जितनी ऊर्जा की आवश्यकता है और उतनी ऊर्जा को स्थानांतरित करने के लिए आवश्यक केबल इसे अत्यधिक अक्षम बना देगी। फिलहाल, नैनोबॉल बैटरियां अभी भी प्रायोगिक चरण में हैं। कारों और फोन में इस्तेमाल होने के अलावा, नैनोबॉल बैटरियों का इस्तेमाल तीसरी दुनिया के देशों और आपदाग्रस्त क्षेत्रों में राहत के लिए भी किया जा सकता है क्योंकि उनका छोटा आकार और उच्च डिस्चार्ज दर ऊर्जा को जल्दी और कुशलता से चारों ओर फैलाने की अनुमति देगा।

भविष्य
नैनोबॉल बैटरियां काफी संभावनाएं दिखाती हैं लेकिन वर्तमान बैटरियों को बदलने के लिए एक व्यवहार्य विकल्प बनने से पहले उनमें सुधार करना होगा। भविष्य के अनुसंधान में नैनोबॉल को लिथियम सेल के कैथोड में एकीकृत करने या बैटरी में सिलिकॉन जैसी अन्य सामग्रियों के साथ नैनोबॉल को विलय करने का प्रयास शामिल 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 कोटिंग के साथ कोटिंग करने से सिलिकॉन नैनोबॉल बहुत तेजी से नष्ट नहीं होता है और बैटरी के समग्र इलेक्ट्रोमैकेनिकल 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। हालाँकि बैटरी बहुत जल्दी डिस्चार्ज हो सकती है, फिर भी बैटरी में जाने के लिए बहुत अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है। एक और मुद्दा जिसे सुधारने की आवश्यकता है वह यह है कि भले ही बैटरी बहुत जल्दी 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 कैथोड सामग्री वर्तमान उत्पादन बैटरियों की तुलना में धीमी गति से नष्ट होती है।

यह भी देखें

 * बैटरी प्रकारों की सूची
 * नैनोवायर बैटरी