शोध के अनुसार, कार्बन नैनोट्यूब रस्सियों में लिथियम बैटरियों की तुलना में अधिक ऊर्जा भंडारण होता है

एक स्थायी समाज के लक्ष्य को प्राप्त करने के लिए, उच्च-ऊर्जा भंडारण उपकरणों की आवश्यकता है। उन्हें कॉम्पैक्ट और हल्का होना चाहिए, लंबे समय तक चलना चाहिए और अच्छी सुरक्षा प्रदान करनी चाहिए। अंततः, उन्हें वर्तमान बैटरी और सुपरकैपेसिटर प्रौद्योगिकियों से आगे निकल जाना चाहिए। इन मांगों को पूरा करने के लिए, सिंगल-वॉल कार्बन नैनोट्यूब (SWCNTs) पर विचार किया जा रहा है। उन्होंने अभिनव ऊर्जा समाधानों के लिए एक संभावित प्रौद्योगिकी के रूप में उभरने में बहुत मजबूती दिखाई है। शोधकर्ताओं ने पाया कि कैसे मुड़े हुए CNTs लिथियम बैटरी की तुलना में बेहतर ऊर्जा भंडारण प्रदान करते हैं।

अध्ययन का उद्देश्य: दिखाने के लिए SWCNT की क्षमता नैनोमैकेनिकल ऊर्जा को प्रतिवर्ती रूप से संग्रहीत करने के लिए।

मुख्य आकर्षण

• थर्मोप्लास्टिक पॉलीयूरेथेन इलास्टोमर्स में लिपटे SWCNT रस्सियों का उत्पादन करना।
• SWCNT मुड़ रस्सी है एक नैनोमैकेनिकल ऊर्जा को प्रतिवर्ती रूप से संग्रहीत करने की अच्छी क्षमता.
• मुड़ी हुई रस्सियाँ 2.1 MJ kg−1 तक का गुरुत्वीय घनत्व प्राप्त करती हैं।
• मुड़ी हुई रस्सी की ऊर्जा भंडारण क्षमता यांत्रिक स्टील स्प्रिंगों की ऊर्जा भंडारण क्षमता से 4 गुना अधिक होती है।
• यह Li-आयन बैटरियों से आगे निकल जाता है 3 के कारक से.
• प्रयोगात्मक रूप से मुड़ी हुई SWCNT रस्सी, प्रतिकूल वातावरण में भी संग्रहीत ऊर्जा को सुरक्षित रख सकती है।
• वहाँ है समय के साथ ऊर्जा की कमी नहीं होगी.
• यह 100 से 150 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर उपलब्ध है। -60 ° C से + 100 ° C.

ट्विस्टेड सीएनटी लिथियम बैटरियों की तुलना में बेहतर ऊर्जा भंडारण प्रदान करते हैं

एकल-दीवार कार्बन नैनोट्यूब 1993 में इनकी खोज की गई थी। तब से, उन्होंने लगातार उच्च प्रदर्शन वाले ऊर्जा रूपांतरण और भंडारण उपकरणों को विकसित करने की अनूठी संभावनाओं को दर्शाया है। विभिन्न तकनीकी सीमाओं को ठीक करने के बाद, वैज्ञानिकों ने इनका उपयोग किया है नैनोट्यूब बैटरी, सौर सेल और सुपरकैपेसिटर1 में।

वर्तमान ऊर्जा भंडारण तंत्र

वर्तमान में प्रयुक्त प्रतिवर्ती तंत्रों में निम्नलिखित शामिल हैं:

• संधारित्रों और बैटरियों में विद्युत रासायनिक संभावित ऊर्जा।
• ऊंचे जल भंडारों में गुरुत्वाकर्षण संभावित ऊर्जा।
• मेकेनिकल ऊर्जा।

वर्तमान प्रणाली लगभग ∼ की पुनर्प्राप्ति दक्षता के साथ बड़ी मात्रा में प्रतिवर्ती ऊर्जा संग्रहीत कर सकती हैअतिचालक चुम्बकों में 98%.

कमियां

• इस दृष्टिकोण में प्रशीतन लागत बहुत अधिक है।
• पारंपरिक यांत्रिक स्टील स्प्रिंग्स में स्थैतिक रूप से संग्रहीत यांत्रिक ऊर्जा कम गुरुत्वीय ऊर्जा घनत्व होता है (जीईडी) ∼1.4 × 10−4 एमजे किग्रा−1.
• लिथियम-आयन बैटरियों का GED मान ≤0.72 MJ kg−1 है, जो यांत्रिक स्प्रिंग्स की तुलना में 4 गुना अधिक है।
• ऊर्जा भंडारण क्षमता अधिक होने के कारण आग लगने जैसे सुरक्षा जोखिम भी उत्पन्न होते हैं।

यहाँ एक है वर्तमान ऊर्जा भंडारण उपकरणों की तुलनाइनमें से केवल कुछ ही तापमान की एक विस्तृत श्रृंखला में ऊर्जा को संग्रहीत करने और वितरित करने के लिए उपयुक्त हैं। वह भी, दूर से छोटे सेंसर या मेडिकल इम्प्लांट उपकरणों में।

एक शोध के अनुसार सक्रिय एमएक्सीन के साथ लागत प्रभावी हरित हाइड्रोजन उत्पादन।

यांत्रिक रूप से मजबूत SWCNT रस्सियों की विशेषता

शोधकर्ताओं ने SWCNTs युक्त व्यावसायिक रूप से उपलब्ध सामग्रियों का उपयोग किया। सामग्री का व्यास 1.5 एनएम और लंबाई लगभग 1 µm थी। विभिन्न निर्माण प्रक्रियाओं का उपयोग करके, SWCNT रस्सियाँ बनाई गईं।

उत्पन्न रस्सियों के प्रकार थे:

• वाई-रस्सीयार्न विधि द्वारा निर्मित
• आर-रस्सी: रोल विधि द्वारा गठित
• डी-रस्सी: फैलाव विधि द्वारा गठित

अध्ययन के उद्देश्य को प्राप्त करने के लिए, शोधकर्ताओं ने सर्वप्रथम एक विश्वसनीय माप तकनीक की पहचान करने की आवश्यकतानीचे दिया गया यह आंकड़ा अधिकतम GED मानों और ग्राफिक पूर्णता के संदर्भ में इस्तेमाल की गई निर्माण विधि के आधार पर अंतर दिखाता है। यहाँ, यार्न विधि 0.22 ± 0.05 MJ kg−1 के औसत के साथ उच्चतम GED मान दिखाता है औसत ट्विस्ट मान (ε) = 0.95.

बिना किसी अतिरिक्त प्रसंस्करण के, सभी प्रकार की रस्सियों के GED मान कम हैं, जो संभवतः ट्यूब बंडलिंग के कारण है।

अवधि: ऐसी स्थिति जब कई SWCNT रस्सियों में एक साथ आते हैं, जिससे तनाव और जाली विकृतियाँ पैदा होती हैं, इसे ट्यूब बंडलिंग के रूप में जाना जाता है। ऐसा तब होता है जब ट्यूब एक दूसरे के साथ परस्पर क्रिया करते हैं, जिससे दोष और विकार उत्पन्न होते हैं जिसके परिणामस्वरूप GED कम होता है।

शोधकर्ताओं ने SEM माइक्रोग्राफ के माध्यम से SWCNTs ऊर्जा भंडारण के प्रदर्शन पर बंडल आकृति विज्ञान के प्रभाव को समझा। इस प्रकार, सबसे कम GED स्पष्ट रूप से डी-रोप में दिखाई दे रहा था, जिसकी विशेषता सबसे छोटे औसत बंडल आकार की थी।

इसका समर्थन किया गया तैयार रस्सियों के रैखिक घनत्व का विश्लेषणयह रस्सियों के रैखिक घनत्व में वृद्धि के साथ GED में गिरावट दर्शाता है। दूसरी ओर, y-रस्सी के बंडल आकार में वृद्धि के साथ, इसकी GED में वृद्धि हुई। कम दक्षता के लिए जिम्मेदार कारक

• उच्च टेढ़ापन
• ट्यूब बंडलिंग
• कम पैकिंग घनत्व

इन कारकों के कारण, नैनोट्यूब एक दूसरे के बीच भार स्थानांतरित करने में अक्षम हो जाते हैं। इसके परिणामस्वरूप कठोरता और कम ताकत होती है, जो कम GED मान का कारण बनती है।

यूएनएसडब्ल्यू द्वारा किए गए एक अन्य शोध में यह पाया गया कि बैक्टीरिया नैनोवायर हरित इलेक्ट्रॉनिक्स विकसित करने में सहायक हैं

रस्सी सुदृढ़ीकरण प्रसंस्करण: सीमाओं को संबोधित करने के लिए

इसमें अंतर-SWCNT लोड ट्रांसफर को बढ़ाने के लिए पॉलिमर उपचार शामिल है। प्रक्रिया के दौरान व्यक्तिगत नैनोट्यूब के महत्वपूर्ण यांत्रिक गुणों को संरक्षित किया गया। इस विधि के माध्यम से व्यक्तिगत SWCNTs का खिंचाव तेज़ हो जाता है, जिससे रस्सियाँ ऊर्जा भंडारण के लिए बेहतर हो जाती हैं। शोधकर्ताओं ने वाई-रस्सी सामग्री की ऊर्जा भंडारण क्षमता में सुधार के लिए PSS, PVA, TPU और PSL जैसे पॉलिमर का उपयोग किया।

RSI निम्न चित्र SWCNT y-रस्सी के संशोधन को दर्शाता है पॉलिमर के अंतर्वेशन द्वारा या सल्फर या कार्बन का अपघटन. 

यह प्रसंस्करण और TPU संशोधनों से पहले SWCNT रस्सी का SEM माइक्रोग्राफ़ है। यह दर्शाता है कि संशोधन के बाद समग्र रूपरेखा कैसे बदल गई। माइक्रोवेव विकिरण TPU-लपेटे SWCNT स्ट्रैंड (पहले और बाद में) के अंतरालीय साइट और सतह के बीच महत्वपूर्ण अंतर प्रदर्शित करता है।

विकिरण के बाद, पिघला हुआ टीपीयू अंतरालीय स्थलों के माध्यम से फैल गयाइसने SWCNT के बाहरी हिस्से को सजाया और आसन्न ट्यूबों और स्ट्रैंड्स के लिए एक संभावित लिंकर की तरह काम किया। इस प्रकार, वाई-रस्सी की क्लोज पैकिंग भी बढ़ गई। जब बारीकी से पैक किया जाता है तो इंटरट्यूब से जुड़ी रस्सियाँ एकसमान स्थानांतरण दिखाएं और नैनोस्केल SWCNT रस्सी नमूनों के यांत्रिक गुणों को बनाए रखें. इससे आगे यह बात सामने आती है उच्च जी.ई.डी..

रमन स्पेक्ट्रा: SWCNT में रूपात्मक परिवर्तन

SWCNT रस्सियों में रूपात्मक परिवर्तनों के बारे में शोधकर्ता की व्याख्या रमन स्पेक्ट्रा द्वारा समर्थित है, जैसा कि नीचे दी गई छवि में दिखाया गया है। y-रस्सी G मोड में सबसे अधिक ऊपर की ओर शिफ्ट दिखाती है। इसका G/D अनुपात 84.8 है, जो कार्बन या सल्फर जमा y-रस्सी से बहुत बड़ा है लेकिन सामान्य y-रस्सी से थोड़ा कम है।

पॉलिमर संशोधन का वाई-रस्सी के यांत्रिक गुणों पर प्रभाव

इससे y-रस्सियों के यांत्रिक गुणों में वृद्धि हुई, जिसकी पुष्टि उनके तनाव-तनाव वक्रों से हुई। विशेष रूप से, y-रस्सियों (TPU) में σB का मान सबसे अधिक होता है और εb के साथ y-रस्सी से बड़ा E (सामान्य)। इससे उच्च यांत्रिक ऊर्जा भंडारण में और वृद्धि होती है।

दबाव के तहत SWCNT रस्सियों के विरूपण की निगरानी इन-सीटू रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी द्वारा की गईट्विस्ट साइकलिंग ने रस्सी के भीतर SWCNT के संरेखण को बेहतर बनाया। इसने ट्यूबों के बीच लोड ट्रांसफर को अनुकूलित किया।

यह जानकर आश्चर्य हुआ कि टोहोकू विश्वविद्यालय के शोधकर्ता रिचार्जेबल मैग्नीशियम बैटरी के लिए अव्यवस्थित रॉकसाल्ट ऑक्साइड का उपयोग कर रहे हैं

सभी रासायनिक उपचार समान रूप से प्रभावी नहीं थे

हां, सभी उपचारों में GED में समान वृद्धि नहीं हुई।

• कार्बन जमाव चक्रों की संख्या में वृद्धि के साथ, y-रस्सियों (C) का GED भी बढ़ गया।
• चूंकि रस्सियों की मजबूती GED के साथ मजबूत सहसंबंध दर्शाती है, इसलिए y-रस्सियों में अधिक सल्फर मिलाने से ऊर्जा भंडारण क्षमता बढ़ाने पर न्यूनतम प्रभाव दिखता है।
• इसी प्रकार, जब पीएसएल और पीएसएस द्वारा संशोधित वाई-रस्सियों की तुलना की जाती है, तो टीपीयू से बने रस्सियों की तुलना में कम अधिकतम जीईडी के साथ समान मरोड़ तनाव सीमा दिखाई जाती है।
• ये स्थितियाँ दर्शाती हैं कि जमा कार्बन और सल्फर ने इंटरट्यूब युग्मन में सुधार किया। हालाँकि, वे GED को बढ़ाने में TPU जितने प्रभावी नहीं थे।

मुड़ी हुई y-रस्सी का ऊर्जा उत्पादन और रूपांतरण

प्रत्यक्ष ऊर्जा के उत्पादन की जांच इसके साथ जुड़े एक लोड (आई-हुक+पैडल) के घूमने से की गई। यह उपकरण रस्सी के नमूनों से 4 गुणा 104 गुना भारी था।

आउटपुट परीक्षण के लिए रस्सी तैयार करने की प्रक्रिया

सबसे पहले, रस्सी को 10 चक्कर प्रति मिनट (RPM) की मोटर से 20, 30 और 110 चक्कर घुमाए गए। फिर, लोड को जोड़कर उसे खोलने दिया गया। खास बात यह रही कि 10 चक्कर लगाने के बाद, रस्सी लगभग 90% मूल आकार में वापस आ गई।

यह दर्शाता है कि रस्सी को खोलने के बाद भी उसमें एक अवशिष्ट मोड़ बना रहता है। इसकी उपस्थिति से यह संकेत मिलता है कि रस्सी में मोड़ है। वायु प्रतिरोध और आंतरिक घर्षण के कारण कुछ ऊर्जा अपव्यय की घटनाइसके कारण प्रणाली की आवधिक गति में कमी आ सकती है।

एक अन्य शोध में, केआईएसटी शोधकर्ताओं ने सुरक्षित और किफायती जलीय रिचार्जेबल बैटरी विकसित की.

अन्य टिप्पणियां

• शोधकर्ताओं ने पाया कि TPU y-रस्सी के नमूनों के रिवर्स रोटेशन के दौरान Rr (रिकवरी) मान 100% से अधिक हो जाता है। यह उन रस्सियों में स्पष्ट था जिन्हें आगे की दिशा में 20 और 30 बार घुमाया गया था।
• इसके अलावा, वाई-रस्सी में एक कड़ी के रूप में कार्य करने वाले टीपीयू ने मात्र 90 सेकंड में लगभग 2 ± 1.1% तनाव ऊर्जा पुनर्प्राप्ति की अनुमति दी।
• अनट्विस्टिंग का समय बहुत कम था, जिसका अर्थ है कि लगभग ≤1.85 ± 0.43 MW kg-1 का उच्च शक्ति घनत्व।
• टीपीयू के बिना ऊर्जा दक्षता में 65 ± 5% की गिरावट आई।
• 20 घंटे से अधिक समय तक, रस्सी में स्व-निर्वहन के कारण हुए संरचनात्मक परिवर्तनों के कारण ऊर्जा पुनर्प्राप्ति दक्षता में 20% तक की गिरावट आई।
• टीपीयू पॉलिमर्स की उपस्थिति ने उपर्युक्त ऊर्जा हानि को कुशलतापूर्वक कम कर दिया।

SWCNT रस्सियों के संभावित अनुप्रयोग

अवलोकनों के अनुसार, LIBs की तुलना में मुड़ी हुई SWCNT रस्सी में लगभग 3 गुना अधिक ऊर्जा संग्रहित की जा सकती है। आगे के अनुप्रयोगों के लिए, सिस्टम को कम्पोजिट पुली का उपयोग करके डिज़ाइन किया जा सकता है। या सीएनटी का उपयोग करके सीम सिलाई मशीनों के साथ भी इस्तेमाल किया जा सकता है। दोनों तरीकों से कॉम्पैक्ट में बड़ी नैनोमैकेनिकल ऊर्जा को संग्रहीत करने की अनुमति मिल सकती है।

निष्कर्ष

मुड़ी हुई CNTs लिथियम बैटरी की तुलना में बेहतर ऊर्जा भंडारण प्रदान करती हैं क्योंकि वे स्टील कॉइल स्प्रिंग्स के समान काम करती हैं, लेकिन वे उनसे कहीं अधिक ऊर्जा संग्रहीत कर सकती हैं। यह नैनोमैकेनिकल तकनीक उच्च ऊर्जा घनत्व और विश्वसनीय ऊर्जा प्रतिधारण के मामले में वर्तमान तकनीकों पर कई फायदे दिखाती है। साथ ही, उन्हें बिना किसी सुरक्षा जोखिम के कई बार चार्ज और डिस्चार्ज किया जा सकता है।

जो कि अन्य प्रणालियों की तुलना में एक बहुत बड़ा अंतर है। इसके अलावा, SWCNT रस्सियाँ एक विस्तृत तापमान सीमा पर स्थिर तापमान प्रदान करने में सक्षम हैं और बायोकम्पैटिबल चिकित्सा उपयोग के लिए आदर्श हैं। इसके अलावा, यह तकनीक कृत्रिम अंगों जैसे छोटे उपकरणों को बिना किसी सर्जिकल प्रतिस्थापन की आवश्यकता के लंबे समय तक संचालित कर सकती है। कुल मिलाकर, SWCNT रस्सियाँ कई समस्याओं को स्थायी तरीके से हल कर सकती हैं।

स्रोत: मुड़ी हुई एकल-दीवार वाली कार्बन नैनोट्यूब रस्सियों में विशाल नैनोमैकेनिकल ऊर्जा भंडारण क्षमता