ऊर्जा भंडारण में एक सफलता या एक अन्य मामला जब एक वैज्ञानिक ने एक पत्रकार को "गाली" दी?
ऊर्जा भंडारण उपकरणों के विकास में अगली अभूतपूर्व सफलता के बारे में हाल की खबरें पढ़ना (स्मार्टफोन की बैटरी को सचमुच सेकंड में चार्ज करना, क्षमता के नुकसान के बिना 30,000 चार्ज / डिस्चार्ज चक्र, और सबसे महत्वपूर्ण बात, क्षमता इस प्रकार के ड्राइव के मौजूदा नमूनों से दस गुना अधिक है, अर्थात् सुपरकैपेसिटर) और कम से कम लिथियम बैटरी से भी बदतर नहीं), निश्चित रूप से, मुझे विश्वास नहीं हुआ और स्रोत को पढ़ने के लिए चला गया, अर्थात्। ACS नैनो में प्रकाशित कैपेसिटिव 2D WS2 लेयर्स वैज्ञानिक लेख के अनुरूप विकास द्वारा सक्षम उच्च-प्रदर्शन वन-बॉडी कोर / शेल नैनोवायर सुपरकैपेसिटर ।उसकी आँखों के माध्यम से चलाने और यह सुनिश्चित करने के बाद कि संदेह उचित और सही था, मैंने पहली बार लेख और चित्र के तहत कुछ टिप्पणियों को जोड़ने का फैसला किया जो पहले से ही जीटी पर एक कर्तव्य बन गए थे और खुद को इस तक सीमित कर लिया था:लेकिन, पूरा लेख पढ़ने के बाद, मैंने फैसला किया कि केडीपीवी पर कॉमिक स्ट्रिप की निष्पक्षता के बावजूद यह अभी भी ध्यान देने योग्य है। इसमें अभी भी कुछ सफलता और बहुत आशाजनक है। और क्या अधिक (सफलताओं या "वैज्ञानिकों ने कैंसर का इलाज किया") मेरा सुझाव है कि पाठक एक बिल्ली के नीचे आविष्कार के वास्तविक मापदंडों से खुद को परिचित करने के बाद इसका स्वतंत्र रूप से मूल्यांकन करते हैं। इसी समय, पाठकों द्वारा उठाए गए कुछ सवालों का जवाब है, विशेष रूप से, ये "नैनोटेक्नोलोजी" औद्योगिक कार्यान्वयन (उत्पादन) के लिए कैसे उपयुक्त हैं या यह एक दिलचस्प प्रयोगशाला प्रयोग से ज्यादा कुछ नहीं रहेगा।अच्छी खबर टीम
यह नया ऊर्जा भंडारण उपकरण क्या है? वास्तव में, यह नया नहीं है, यह सुपरकंडन्सर्स ( आयनिस्टर्स ) के वर्ग से संबंधित है जो लंबे समय से ज्ञात हैं और व्यापक रूप से व्यवहार में उपयोग किए जाते हैं । लेकिन वैज्ञानिकों ने अपने मापदंडों में काफी सुधार किया।आयनस्टोर्स के विकास में मुख्य समस्याओं में से एक यह है कि एक साथ दो समस्याओं को हल करना आवश्यक है जो एक-दूसरे के साथ संघर्ष करते हैं:- विशिष्ट समाई को बढ़ाने के लिए इलेक्ट्रोड के सक्रिय क्षेत्र और उनकी आयनिक चालकता को बढ़ाएं
- तेजी से चार्ज / डिस्चार्ज करने के दौरान विशिष्ट शक्ति को बढ़ाने और ऊर्जा के नुकसान को कम करने के लिए इलेक्ट्रोड की इलेक्ट्रॉनिक चालकता को बढ़ाएं
पहले से मौजूद शास्त्रीय प्रौद्योगिकियों में, एक पैरामीटर का निर्माण दूसरे के एक महत्वपूर्ण गिरावट का कारण बना। हाल के वर्षों में, नैनोटेक्नोलौजी का उपयोग करने वाले विकास हुए हैं, जो दोनों आवश्यकताओं को काफी अच्छी तरह से संयोजित करते हैं, लेकिन उन्हें एक और समस्या का सामना करना पड़ा - ऑपरेशन के दौरान गठित नैनॉस्ट्रक्चर का तेजी से क्षरण और क्षमता का तेजी से नुकसान। इस संबंध में कुछ नमूने साधारण रासायनिक बैटरी (वे केवल कुछ सौ चक्रों से पीछे हट गए) से भी हीन थे।इस कार्य में एक सफलता को कॉल करना संभव है जो वैज्ञानिकों ने क्रिसमस के पेड़ में प्रवेश करने और एक साथ तीन मापदंडों में एक साथ उच्च संकेतक प्राप्त करने में कामयाब रहे : विशिष्ट क्षमता, विशिष्ट शक्ति, और संसाधन।यह कैसे हासिल किया गया था? सब कुछ का आधार एक संक्रमण धातु पन्नी है (इस मामले में टंगस्टन का उपयोग किया गया था), जो दूसरे पैरामीटर (इलेक्ट्रोड की उच्च इलेक्ट्रॉनिक चालकता और इसलिए, चार्जिंग / निर्वहन के दौरान उच्च विशिष्ट शक्ति और कम नुकसान) में उच्च प्रदर्शन प्रदान करता है।इसके अलावा, एक घने "वन" का निर्माण इसी धातु के चाकोजीनाइड के साथ लेपित धातु ऑक्साइड के नैनोवायर (पिन) से इस पन्नी की सतह पर होता है (इस मामले में , टंगस्टन सल्फाइड - WS 2 का उपयोग किया गया था )। योजनाबद्ध रूप से, यह इस तरह दिखता है:आरेख पर भूरा शुद्ध धातु को इंगित करता है, एक हल्का शेड इसके ऑक्साइड को इंगित करता है, और नीला शैलोकेनाइड को इंगित करता है। नीचे की पन्नी को सशर्त रूप से दिखाया गया है - वास्तव में, इसकी मोटाई बहुत बड़ी है ("पिन" की ऊंचाई से तुलनात्मक या उससे भी अधिक)।इसके अलावा, ये वास्तविक नैनोटेक्नोलॉजीज हैं, बिना उद्धरण के। तो ये पिन (या जैसा कि वैज्ञानिकों ने खुद उन्हें बुलाया है - नैनोवायर) एक इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप के नीचे देखते हैं:ऊपर सतह का एक सामान्य दृश्य है, जिस पर एक "वन" नैनोवायर उगे हुए हैं। (ए) एक अलग "वायरिंग" का एक साइड व्यू है, (बी) और (सी) एक सतह दृश्य (एक लाल आयत में बढ़े हुए टुकड़े) है, जिस पर धातु ऑक्साइड के शीर्ष पर बनाई गई एक हैकॉलाइड फिल्म स्पष्ट रूप से दिखाई देती है, (डी एक एकल तारों का एक क्रॉस सेक्शन है,) च) और ()) नीले और हरे रंग से संकेतित बड़े टुकड़े हैं।इस तरह के एक नैनोस्ट्रक्चर हमें पहले पैरामीटर में अच्छा प्रदर्शन प्रदान करने की अनुमति देता है: इलेक्ट्रोड की सक्रिय सतह का एक बड़ा क्षेत्र जो इलेक्ट्रोलाइट के संपर्क में आता है, और इसलिए, सुपरकैपेसिटर के मानकों द्वारा एक उच्च विशिष्ट क्षमता है।और उच्च स्थिरता उत्पादन विधि द्वारा प्राप्त की जाती है - इन नैनोवायरों को सतह पर स्प्रे नहीं किया जाता है, लेकिन सचमुच इससे उगाया जाता है, इसके साथ एक एकल क्रिस्टल संरचना का निर्माण होता है, जो ऑपरेशन के दौरान उन्हें उच्च शक्ति / स्थिरता देता है। निम्नलिखित ग्राफ (ई) में, प्राप्त नमूनों के परीक्षण के परिणाम:30,000 चक्रों के बाद भी, उच्च शक्ति पर चार्ज + डिस्चार्ज (चार्जिंग के लिए लगभग 8 सेकंड और पूर्ण चक्र के लिए 16 सेकंड), क्षमता मूल से ऊपर रहती है। और पहले कुछ हजार चक्र, यह सतह सक्रियण (इलेक्ट्रोड के सक्रिय क्षेत्र के विकास) के कारण भी बढ़ता है। उच्च धाराओं (~ 8 सेकंड में चार्ज) पर काम करते समय अधिकतम नाममात्र क्षमता का लगभग 125% होता है, कम धाराओं पर काम करते समय नाममात्र क्षमता का 150% से अधिक (~ 160 सेकंड में चार्ज) और 2500 काम चक्रों के बाद पहुंच जाता है।यह "धीरज" "मेटल" आयनिस्टर्स (जो तुलनीय विशिष्ट शक्ति है) के किसी भी नमूने से कहीं अधिक श्रेष्ठ है और सर्वश्रेष्ठ क्लासिक कार्बन (जो विशिष्ट शक्ति और क्षमता में अवर हैं) के स्तर पर हैं।तो, उपरोक्त सभी को देखते हुए, क्या हम यह कह सकते हैं कि आदर्श ऊर्जा भंडारण उपकरण जिसका सभी को इंतजार है, आखिरकार उसका आविष्कार कैसे हुआ?भौतिक विज्ञान, आपको दिल से ...
दुर्भाग्य से नहीं। सभी आयनिस्टर्स की तरह, इस ऊर्जा भंडारण उपकरण में एक बहुत बड़ी खामी है - एक छोटा विशिष्ट समाई। क्षमता के संदर्भ में, एक चमत्कार मौलिक भौतिक सीमाओं की अनुमति नहीं देगा। यह सभी एक ही आयनिस्टर है, एक डबल विद्युत परत के उपयोग के माध्यम से ऊर्जा का भंडारण और इसी प्रतिबंध के साथ।विशेष रूप से, परिणामी तत्वों में ऑपरेटिंग वोल्टेज की बहुत कम सीमा होती है: केवल 0 से 0.8 वोल्ट तक, जो अन्य प्रौद्योगिकियों का उपयोग करके किए गए आयनिस्टर्स के लिए विशिष्ट स्तर से भी कम है। और किसी भी कैपेसिटर द्वारा संग्रहीत ऊर्जा, जैसा कि आप जानते हैं, अधिकतम वोल्टेज के वर्ग पर निर्भर करता है।विद्युत समाई (फराड्स में), हालांकि अधिकांश एनालॉग्स की तुलना में काफी अधिक (कई बार), परिमाण के आदेशों द्वारा नहीं होती है, जो अन्य आयनस्टोर्स की तुलना में कम ऑपरेटिंग वोल्टेज की भरपाई करने के लिए आवश्यक होती है, और फिर रासायनिक बैटरियों के साथ भी पकड़ती है, जिसमें से विशिष्ट आयनाइज़र विशिष्ट क्षमता दर्जनों बार पिछड़ जाती है। निम्नलिखित ग्राफ चार्ज / डिस्चार्ज की गति पर ऑपरेटिंग वोल्टेज और विशिष्ट कैपेसिटेंस ( इलेक्ट्रोड क्षेत्र के प्रति 1 सेमी 2 के मीलफर्ड्स) की निर्भरता को दर्शाता है :
ऐसे मापदंडों के साथ, कम से कम लंबे और व्यावसायिक रूप से लिथियम बैटरी के बराबर, जो पहले से ही मानक बन गए हैं, आपको बस जरूरत है। विशाल इलेक्ट्रोड क्षेत्र और उन्हें बहुत कॉम्पैक्ट रूप से पैक करें।तुलना के लिए, आप मानक आकार 18650 की लिथियम बैटरी (18 मिमी के व्यास वाला एक सिलेंडर, 65 मिमी की लंबाई और 50 ग्राम से अधिक नहीं) का वजन ले सकते हैं। ऐसे तत्वों की विशिष्ट प्राप्त क्षमता अब लगभग 3 ए * एच है, जिसमें 3.7 वी का औसत ऑपरेटिंग वोल्टेज है, जो प्रति तत्व संग्रहीत ऊर्जा का लगभग 40 000 जे देता है:भंडारण के लिए 0.8 वी के ऑपरेटिंग वोल्टेज के साथ 3 * 3600 * 3.7 = 39 960 जे। एक सुपरकैपेसिटर । समान ऊर्जा के लिए 40,000 / 0.8 2 * 2 = 125,000 फैराड की क्षमता की आवश्यकता होगी ।ऐसी क्षमता के लिए, 125000 / 0.05 = 2 500 000 सेमी 2 = 250 मीटर 2 में प्रत्येक इलेक्ट्रोड के क्षेत्र की आवश्यकता होती है ।यदि आप इलेक्ट्रोड के इस सभी क्षेत्र को 18650 कोशिकाओं की एक समान छोटी मात्रा में फिट करने का प्रयास करते हैं, तो आपको प्रत्येक 2 इलेक्ट्रोड के लिए 4000 मीटर से अधिक लंबे टेप और एक ही लंबाई के बीच एक विभाजक मिलेगा। यह पैकिंग घनत्व व्यवहार में भी लगभग प्राप्त करने योग्य नहीं है। इसके अलावा, यह सिद्धांत में भी प्राप्त करने योग्य नहीं है (यदि हम उस आधार की मोटाई लेते हैं जिस पर "वन" उगाया जाता है, शून्य के बराबर और शून्य के बराबर, इलेक्ट्रोड के बीच की दूरी अभी भी बैटरी की तुलना में बहुत अधिक मात्रा का उत्पादन करेगी)।दरअसल, अध्ययन करने वाले वैज्ञानिक इसे बखूबी समझते हैं। लगभग ०.०६ डब्ल्यू * एच / सेमी ३ या २१६ जे / सेमी ३ के स्तर पर समान इलेक्ट्रोड का उपयोग करते समय उन्होंने कैपेसिटर के विशिष्ट समाई का अनुमान लगाया।। यह सबसे आशावादी अनुमान है (सीमा) व्यवहार में प्राप्त करने योग्य नहीं है, क्योंकि केवल इलेक्ट्रोड की मात्रा ही सब कुछ (विभाजक, इलेक्ट्रोलाइट, आवरण) के बिना खाते में ले ली जाती है। व्यवहार में, इस सीमा से 1.5-2 गुना नीचे की क्षमता उपलब्धि एक अच्छी उपलब्धि मानी जाएगी।सुपरकैपेसिटर के मानकों के अनुसार, ये केवल भव्य पैरामीटर हैं जो कुल (एनालॉग / पावर) सभी एनालॉग्स से अधिक हैं। नीचे दिए गए ग्राफ में एक तुलना है जो पहले से ही व्यवहार में उपयोग की जाती है और कैपेसिटर के उत्पादन के लिए वैकल्पिक वैकल्पिक तकनीकों के रूप में मानी जाती है (चर्चा के तहत विकल्प काले बिंदुओं का एक सेट है):
एक्स-अक्ष - विशिष्ट शक्ति, वाट / सेमी 3, वाई-अक्ष - विशिष्ट क्षमता, वाट * घंटा / सेमी 3इसी समय, यह इस तथ्य पर ध्यान देने योग्य है कि दोनों पैमाने लॉगरिदमिक हैं, एक बड़ा विभाजन = 10 के कारक द्वारा पैरामीटर में वृद्धि, लेकिन रासायनिक बैटरियों के साथ तुलना में, क्षमता अभी भी बहुत छोटी है। यदि हम लिथियम पर आधारित एक ही धारावाहिक 18650 सेल को याद करते हैं, तो 17 सेमी 3 की भौतिक मात्रा और लगभग 40,000 जे की ऊर्जा संग्रहित है, इसकी विशिष्ट क्षमता लगभग 2350 जे / सेमी 3 है।। यानी इस विकास की अधिकतम (सैद्धांतिक) क्षमता से कम से कम 10 गुना अधिक। और अगर उत्पादन शुरू होता है, तो व्यवहार में उससे जो उम्मीद की जा सकती है, उससे 15-20 गुना अधिक। द्रव्यमान (J / kg) द्वारा, लिथियम बैटरी से बैकलॉग और भी अधिक होगा। वैज्ञानिकों ने अपने काम में बड़े पैमाने पर विशिष्ट क्षमता पर डेटा प्रदान नहीं किया, लेकिन यह स्पष्ट है कि ऐसे तत्व भारी होंगे: मैक्रो स्तर पर तैयार तत्व इलेक्ट्रोलाइट के साथ संसेचन टंगस्टन पन्नी के सबसे घनी तह रोल होगा।सामान्य तौर पर, आप तुरंत स्मार्टफोन, टैबलेट और अन्य इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए बैटरी के बारे में भूल सकते हैं जो सेकंड में चार्ज करते हैं। साथ ही इलेक्ट्रिक वाहनों के लिए मिनटों में चार्ज और एक विशाल संसाधन के साथ बैटरी के बारे में। ये सभी पत्रकारों के शुद्ध आविष्कार हैं जो वास्तविकता से संबंधित नहीं हैं (देखें केडीपीवी)। ऐसे अनुप्रयोगों के लिए, समाई अभद्र रूप से छोटा है।लेकिन कई सेगमेंट में, उनकी विशेषताओं (उच्च विशिष्ट शक्ति और एक बहुत बड़े संसाधन, सबसे खराब क्षमता के साथ) को ध्यान में रखते हुए, इस तरह के ड्राइव बहुत आशाजनक हो सकते हैं।उदाहरण के लिए:- पुनर्योजी ब्रेकिंग और / या अल्पकालिक "afterburner" के लिए इलेक्ट्रिक वाहन (मुख्य बैटरी की एक छोटी क्षमता, इलेक्ट्रिक बाइक जैसे अन्य इलेक्ट्रिक वाहन) के साथ बफर (इलेक्ट्रिक कारें), अर्थात चोटी के भार से मुख्य बैटरी की सुरक्षा या इलेक्ट्रिक वाहनों के लिए एक बफर जिसमें मुख्य बैटरी (ईंधन सेल) नहीं है।
- हाई पावर की इंटरमीडिएट निर्बाध बिजली की आपूर्ति (बैकअप पावर शुरू होने तक मुख्य पावर विफल होने पर लोड को ऊपर उठाना)।
- बिजली प्रणालियों में वोल्टेज और आवृत्ति की वृद्धि का विनियमन, जो हर साल अधिक से अधिक प्रासंगिक हो जाता है क्योंकि अस्थिर अक्षय ऊर्जा स्रोत व्यापक रूप से बिजली प्रणालियों में पेश किए जाते हैं।
और इसी तरह के अन्य अनुप्रयोगों में उच्च शक्ति घनत्व और लगातार स्विचिंग की आवश्यकता होती है।उतारेंगे या नहीं उतारेंगे?
इस तरह की तकनीक का व्यावहारिक कार्यान्वयन प्रयोगशाला से औद्योगिक उत्पादन और निश्चित रूप से कीमतों पर हस्तांतरण की संभावना पर निर्भर करेगा। यदि कीमतों के बारे में कुछ निश्चित नहीं कहा जा सकता है, बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए संभावनाएं बहुत अच्छी लगती हैं। अधिकांश अन्य नैनोटेक्नोलॉजीज़ के विपरीत, जो प्रयोगशाला की दीवारों को छोड़ने का जोखिम नहीं उठाते हैं। काम इलेक्ट्रोड के उत्पादन के लिए कार्यप्रणाली का विस्तार से वर्णन करता है और मुझे इस उद्योग में इसे दोहराने के लिए विशेष रूप से मुश्किल कुछ भी नहीं मिला।सामान्य उत्पादन योजना इस आंकड़े में प्रस्तुत की गई है:
इलेक्ट्रोड के उत्पादन की अवस्था:- (W). ( «» , , ). 10% ().
- 650 , 2 . «» (WO3). , .
- , ( ). (850 ) (S). CVD ( ), (WS2) . 40 .
दरअसल यह सब तकनीक है। इस तरह की पन्नी की 2 शीट एक इलेक्ट्रोलाइट में रखी जाती हैं और एक सुपरकैपेसिटर बनाती हैं। इलेक्ट्रोलाइट के रूप में कई अलग-अलग पदार्थ उपयुक्त हैं: विशेष रूप से, वैज्ञानिकों ने सल्फ्यूरिक एसिड, लिथियम क्लोराइड और पोटेशियम क्लोराइड के समाधान का परीक्षण किया। लेकिन परीक्षणों के थोक सोडियम सल्फेट (Na 2 SO 4 ) के एक समाधान में किया गया था ।उद्योग में प्रौद्योगिकी के विकास के लिए कोई गंभीर बाधाएं अभी तक नहीं देखी गई हैं। लेकिन, सबसे अधिक संभावना है, यह उत्पादन में काफी महंगा हो जाएगा और इस संबंध में रासायनिक बैटरी के संबंध में एक महत्वपूर्ण नुकसान भी होगा, जिसका उत्पादन बहुत सरल है।एक स्नैक के लिए, एक छोटा सा सर्वेक्षण। अब जब एक क्षतिग्रस्त फोन के बिना सभी विवरण ज्ञात हैं, तो आपको क्या लगता है कि क्या अधिक है? Source: https://habr.com/ru/post/hi399649/
All Articles