एक नए प्रकार का अल्ट्रा-टिनी सुपरकैपेसिटर उल्लेखनीय ऊर्जा भंडारण क्षमताओं और डिवाइस बिजली आपूर्ति में संभावित क्रांति को प्रदर्शित करता है। शोधकर्ताओं ने एक अत्यंत छोटा सुपरकैपेसिटर विकसित किया है जो भंडारण क्षमता और कॉम्पैक्टनेस के मामले में वर्तमान में व्यावसायिक रूप से उपलब्ध सभी मॉडलों से बेहतर है। इसका डिज़ाइन कुछ शर्तों के तहत कैपेसिटेंस को प्रभावशाली 3,000% तक बढ़ाने के लिए मोलिब्डेनम डाइसल्फ़ाइड और ग्राफीन की परतों के साथ क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर को जोड़ता है।
भारतीय विज्ञान संस्थान (आईआईएससी) के इंस्ट्रुमेंटल एंड एप्लाइड फिजिक्स (आईएपी) विभाग के शोधकर्ताओं ने एक नए प्रकार का अल्ट्रा-माइक्रो सुपरकैपेसिटर डिजाइन किया है, जो एक छोटा उपकरण है जो बड़ी मात्रा में इलेक्ट्रिक चार्ज को स्टोर करने में सक्षम है। यह मौजूदा सुपरकैपेसिटर की तुलना में छोटा और अधिक कॉम्पैक्ट है और इसका उपयोग स्ट्रीट लाइट से लेकर उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स, इलेक्ट्रिक वाहन और चिकित्सा उपकरणों तक के उपकरणों में किया जा सकता है।
वर्तमान में, इनमें से अधिकांश उपकरण बैटरी चालित हैं। हालाँकि, समय के साथ, ये बैटरियाँ चार्ज स्टोर करने की अपनी क्षमता खो देती हैं और इसलिए इनकी शेल्फ लाइफ सीमित होती है। कैपेसिटर, अपने डिज़ाइन के आधार पर, चार्ज को लंबे समय तक संग्रहीत कर सकते हैं। उदाहरण के लिए, 5 वोल्ट पर चलने वाला एक संधारित्र दस साल बाद भी उसी वोल्टेज पर काम करेगा। लेकिन बैटरियों के विपरीत, सुपरकैपेसिटर को लगातार डिस्चार्ज नहीं किया जा सकता है, जैसे कि सेल फोन को पावर देना।
दूसरी ओर, सुपरकैपेसिटर, बैटरी और कैपेसिटर के फायदों को जोड़ते हैं और बड़ी मात्रा में ऊर्जा संग्रहीत और जारी कर सकते हैं, जिससे वे अगली पीढ़ी के इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में लोकप्रिय हो जाते हैं।
हाल ही में एसीएसई एनर्जी लेटर्स में प्रकाशित अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने मौजूदा कैपेसिटर में उपयोग किए जाने वाले धातु इलेक्ट्रोड के बजाय चार्ज कलेक्टर के रूप में फील्ड-इफेक्ट ट्रांजिस्टर (एफईटी) का उपयोग करके अपना सुपरकैपेसिटर बनाया। आईएपी की प्रोफेसर और अध्ययन की लेखिका आभा मिश्रा ने कहा, "सुपरकैपेसिटर में इलेक्ट्रोड के रूप में क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर का उपयोग कैपेसिटर के चार्ज को ट्यून करने का एक नया तरीका है।"
संधारित्र डिजाइन में नवाचार
वर्तमान कैपेसिटर आमतौर पर धातु ऑक्साइड-आधारित इलेक्ट्रोड का उपयोग करते हैं, लेकिन वे कम इलेक्ट्रॉन गतिशीलता द्वारा सीमित होते हैं। इसलिए मिश्रा और उनकी टीम ने इलेक्ट्रॉन गतिशीलता बढ़ाने के लिए मोलिब्डेनम डाइसल्फ़ाइड (MoS2) और ग्राफीन की कुछ-परमाणु-मोटी परतों को बारी-बारी से बनाने के लिए हाइब्रिड फ़ील्ड-इफ़ेक्ट ट्रांजिस्टर बनाने का निर्णय लिया, फिर सोने के संपर्कों के साथ जोड़ा गया। सॉलिड-स्टेट सुपरकैपेसिटर बनाने के लिए दो FET इलेक्ट्रोड के बीच एक सॉलिड जेल इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग किया जाता है। संपूर्ण संरचना सिलिका/सिलिकॉन सब्सट्रेट पर बनी है।
मिश्रा ने कहा, "डिज़ाइन महत्वपूर्ण हिस्सा है क्योंकि आप दो प्रणालियों को एकीकृत कर रहे हैं, जो दो क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर इलेक्ट्रोड और एक जेल इलेक्ट्रोलाइट (एक आयनिक माध्यम) हैं, जिनकी अलग-अलग चार्ज क्षमताएं हैं।" अध्ययन के प्रमुख लेखकों में से एक और आईएपी में डॉक्टरेट छात्र विनोद पनवार ने कहा कि ट्रांजिस्टर के सभी वांछनीय गुणों को प्राप्त करने के लिए ऐसे उपकरण का निर्माण करना चुनौतीपूर्ण है। क्योंकि ये सुपरकैपेसिटर इतने छोटे होते हैं, इन्हें माइक्रोस्कोप के बिना नहीं देखा जा सकता है, और निर्माण प्रक्रिया के लिए उच्च परिशुद्धता और हाथ-आंख समन्वय की आवश्यकता होती है।
प्रदर्शन और भविष्य की योजनाएँ
सुपरकैपेसिटर बनने के बाद, शोधकर्ताओं ने विभिन्न वोल्टेज लगाकर डिवाइस की इलेक्ट्रोकेमिकल कैपेसिटेंस या चार्ज-होल्डिंग क्षमता को मापा। उन्होंने पाया कि कुछ शर्तों के तहत क्षमता में 3,000% की वृद्धि हुई। इसकी तुलना में, ग्राफीन के बिना केवल MoS2 युक्त एक संधारित्र ने उन्हीं शर्तों के तहत अपनी क्षमता में केवल 18% की वृद्धि की।
भविष्य में, शोधकर्ता यह पता लगाने की योजना बना रहे हैं कि क्या MoS2 को अन्य सामग्रियों से बदलने से सुपरकैपेसिटर की भंडारण क्षमता में और सुधार हो सकता है। उन्होंने कहा कि उनका सुपरकैपेसिटर पूरी तरह कार्यात्मक है और इसका उपयोग ऊर्जा भंडारण उपकरणों जैसे इलेक्ट्रिक वाहन बैटरी या ऑन-चिप एकीकरण के माध्यम से किसी भी लघु प्रणाली में किया जा सकता है। वे सुपरकैपेसिटर का पेटेंट कराने की भी योजना बना रहे हैं।