🎧 🦉 🤽🏽 बैटरी और सुपरकैपेसिटर के बीच अंतर का क्या कारण है 👵 🕢 ™️

विद्युत ऊर्जा स्रोतों का उपयोग आज हर जगह किया जाता है और विशिष्ट विशेषताएं हैं: क्षमता, या संग्रहीत ऊर्जा की मात्रा, साथ ही शक्ति, या इस ऊर्जा को जल्दी से स्थानांतरित करने या संचित करने की क्षमता (उच्च धाराओं पर निर्वहन / प्रभार)। इसके अलावा, सुरक्षा और दीर्घायु बैटरी के लिए बहुत महत्वपूर्ण हैं। इस पोस्ट में मैं आपको बताऊंगा कि कैसे बैटरी और सुपरकैपेसिटर रासायनिक स्तर पर भिन्न होते हैं, और यह उनकी तकनीकी विशेषताओं को कैसे प्रभावित करता है।

मैं बैटरी के साथ शुरू करूँगा। आज, लिथियम-आयन और निकल-मेटल हाइड्राइड (NiMH) बैटरियां सबसे अधिक उपयोग की जाती हैं, लेकिन लिथियम-आयन बैटरियां धीरे-धीरे NiMH को कई कारणों से बदल रही हैं। सबसे पहले, लिथियम-आयन बैटरी अधिक ऊर्जा-गहन हैं। यह इस तथ्य के कारण है कि, क्षारीय इलेक्ट्रोलाइट्स NiMH की तुलना में, जो सेल वोल्टेज को 1.2 V तक सीमित करता है, लिथियम आयन कार्बोनेट-आधारित बैटरी के इलेक्ट्रोलाइट्स 3V का वोल्टेज प्रदान करते हैं। और इसका मतलब है कि एक निश्चित वोल्टेज, साथ ही अधिक कॉम्पैक्ट आकारों को प्राप्त करने के लिए आवश्यक कम सेल, जो कि आधुनिक पोर्टेबल इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए आवश्यक है। और, सबसे महत्वपूर्ण, NiMH की तुलना में, जो दुर्लभ पृथ्वी धातुओं के साथ मिश्र धातुओं का उपयोग करता है, लिथियम आयन बैटरी में सस्ती सामग्री होती है।

लिथियम आयन बैटरी का संचालन निम्नानुसार है: लिथियम आयन चार्ज और डिस्चार्जिंग के दौरान एनोड (बहुधा ग्रेफाइट) या कैथोड (संक्रमण धातु ऑक्साइड) की स्तरित सामग्री में एम्बेडेड होते हैं। क्षमता निर्धारित की जाती है कि इलेक्ट्रोड में कितना लिथियम बनाया गया है, और यदि क्षमता, जैसा कि ऊपर उल्लेख किया गया है, लिथियम-आयन बैटरी अच्छी हैं, तो शक्ति के साथ (यह उच्च क्षमता पर बैटरी को जल्दी चार्ज और डिस्चार्ज करने की क्षमता है, उदाहरण के लिए, इलेक्ट्रिक वाहनों में त्वरण और पुनर्योजी ब्रेक के दौरान) यह इतना आसान नहीं है। उदाहरण के लिए, जब बहुत तेज चार्ज होता है, तो लिथियम आयनों के पास क्रिस्टल को एकीकृत करने और एनोड पर धातु लिथियम (डेंड्राइट्स) की श्रृंखला बनाने का समय नहीं होता है, जिससे शॉर्ट सर्किट हो सकता है, खासकर कम तापमान पर। एक बहुत तेज डिस्चार्ज कैथोड क्रिस्टल को नष्ट कर सकता है और बैटरी के समय से पहले बूढ़ा हो सकता है।

बैटरी की शक्ति क्या निर्धारित करती है? बैटरी की शक्ति कई मापदंडों पर निर्भर करती है: इलेक्ट्रोड की चालकता, जिसमें सक्रिय पदार्थ और योजक शामिल होते हैं, सक्रिय सामग्रियों में होने वाली विद्युत प्रक्रियाओं की गति, साथ ही साथ इलेक्ट्रोलाइट की आयनिक चालकता भी होती है। किसी तरह लिथियम-आयन बैटरी की शक्ति में सुधार करने के लिए, यदि वे उच्च धाराओं पर उपयोग किए जाने के लिए हैं, तो निर्माता विशेष, पतले इलेक्ट्रोड बनाते हैं: उनमें कम सक्रिय सामग्री होती है, लेकिन अधिक कार्बन योजक। नतीजतन, इलेक्ट्रोड की चालकता बढ़ जाती है, लेकिन, अफसोस, सक्रिय सामग्री की मात्रा कम करने से, क्षमता भी घट जाती है। इसके अलावा, भले ही ऐसी तकनीक इलेक्ट्रोड की चालकता में सुधार करती है, लेकिन किसी को शक्ति को प्रभावित करने वाले अन्य मापदंडों के बारे में नहीं भूलना चाहिए, विशेष रूप से क्रिस्टल में लिथियम का धीमा समावेश (प्रसार कठिनाइयों),जो इस तकनीक को किसी भी तरह से प्रभावित नहीं करता है।

लेकिन यहां नैनोमैट्रीज़ हमारी सहायता के लिए आते हैं: नैनोक्रिस्टल में एकीकृत करने के लिए, लिथियम को लंबी दूरी पर जाने की आवश्यकता नहीं होती है, इसलिए इंटरकलेशन बहुत तेज होता है।

लेकिन अफसोस, नैनोमैटिरियल्स के नुकसान भी हैं, विशेष रूप से, उनकी वृद्धि हुई रासायनिक प्रतिक्रिया, जो बैटरी जीवन को कम करती है। सामान्य तौर पर, बैटरी मापदंडों में से एक को बेहतर बनाने की कोशिश करते हुए, अन्य सभी अक्सर खराब हो जाते हैं।

लेकिन अगर बैटरी को अभी भी बहुत अधिक धाराओं पर काम करने की आवश्यकता है, जिस पर न तो इलेक्ट्रोड के उत्पादन की विधि, न ही सक्रिय सामग्रियों की संरचना में मदद मिलती है, तो सुपरकैपेसिटर बचाव में आता है। पहली नज़र में सुपरकैपेसिटर एक बैटरी जैसा दिखता है: इसमें दो इलेक्ट्रोड भी होते हैं जिन्हें इलेक्ट्रोलाइट में रखा जाता है। लेकिन यह केवल पहली नज़र में है। वास्तव में, सुपरकैपेसिटर आयनों की एक परत के रूप में ऊर्जा संग्रहीत करता है जो इलेक्ट्रोड की सतह (डबल इलेक्ट्रिक परत) से जुड़ी होती है। ऐसे उपकरणों की क्षमता सीधे इलेक्ट्रोड की सतह पर निर्भर करती है, और सक्रिय कार्बन को अक्सर सक्रिय सामग्री के रूप में उपयोग किया जाता है। चूंकि, लिथियम-आयन बैटरी के विपरीत, सुपरकैपेसिटर में कोई रेडॉक्स प्रतिक्रिया नहीं होती है और आयनों को कहीं भी एम्बेड नहीं किया जाना चाहिए, चार्जिंग और डिस्चार्जिंग बहुत तेज होती है,और उपकरण स्वयं अधिक टिकाऊ होते हैं।

लेकिन क्यों, ऐसी उल्लेखनीय शक्ति होने के कारण, सुपरकैपेसिटर का उपयोग बैटरी के बजाय स्वतंत्र बिजली स्रोतों के रूप में नहीं किया जा सकता है? लेकिन तथ्य यह है कि रिडॉक्स प्रतिक्रियाओं की तुलना में एक डबल इलेक्ट्रिक परत के गठन की प्रक्रिया बहुत कम ऊर्जा-गहन है, इसलिए, इस तथ्य के बावजूद कि सुपरकैपेसिटर जमा होते हैं और जल्दी से ऊर्जा देते हैं, बैटरी की तुलना में इसकी मात्रा बहुत कम है। इसके अलावा, सुपरकैपेसिटर मजबूत आत्म-निर्वहन के अधीन हैं: यदि एक चार्ज की गई बैटरी एक महीने में कई प्रतिशत क्षमता खो देती है, तो सुपरकैपेसिटर इस समय के दौरान पूरी तरह से निर्वहन कर सकता है। इसलिए, सुपरकैपेसिटर आमतौर पर ऊर्जा-खपत बैटरी के साथ संयोजन में उपयोग किए जाते हैं और विशेष रूप से चरम भार पर एक शक्ति स्रोत की भूमिका निभाते हैं।

यदि विद्युत नेटवर्क से डिस्कनेक्ट हो जाता है, तो एक विद्युत रासायनिक स्रोत में स्व-निर्वहन एक क्रमिक वोल्टेज ड्रॉप है। लिथियम-आयन बैटरी में, यह कैथोड पर इलेक्ट्रोलाइट के क्रमिक ऑक्सीकरण के साथ जुड़ा हुआ है, जिसके परिणामस्वरूप इलेक्ट्रॉनों को जारी किया जाता है जो कैथोड सामग्री द्वारा लिथियम को उनकी संरचना में शामिल करने के लिए उपयोग किया जाता है (एक प्रक्रिया जो निर्वहन के साथ होती है)। चूंकि इलेक्ट्रोलाइट धीरे-धीरे ऑक्सीकरण होता है, इसलिए स्व-निर्वहन भी धीमा है। लेकिन सुपरकैपेसिटर के स्व-निर्वहन का सटीक तंत्र अभी तक ज्ञात नहीं है, लेकिन यह इलेक्ट्रोलाइट आयनों से जुड़ा हुआ है जो इलेक्ट्रोड की सतह पर रेडॉक्स प्रतिक्रियाओं में प्रवेश करते हैं।

अंत में, यह कहने योग्य है कि "छद्म-कैपेसिटिव" सुपरकैपेसिटर भी हैं, जिन्हें इलेक्ट्रोकेमिकल सुपरकैपेसिटर भी कहा जाता है, जिसमें सक्रिय सामग्रियों की सतह पर अधिक ऊर्जा-गहन रेडॉक्स प्रक्रियाएं होती हैं, लेकिन ऐसे उपकरणों की क्षमता अभी भी बैटरी की तुलना में कम है, और वे भी पीड़ित हैं मजबूत आत्म-निर्वहन।

सूत्रों का कहना है:

लिंडन की हैंडबुक ऑफ बैटरियां, चौथा संस्करण
IEEE ट्रांसक्शन ऑन पॉवर इलेक्ट्रॉनिक्स, वॉल्यूम। 24, एन ° 2, 2009
जे। इलेक्ट्रोकैम सोसाइट।, वॉल्यूम। 145, एन ° 10, 1998
बीई कॉनवे, विद्युत रासायनिक Supercapacitors: वैज्ञानिक बुनियादी बातों और तकनीकी अनुप्रयोग, 1999

बैटरी और सुपरकैपेसिटर के बीच अंतर का क्या कारण है

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