जनवरी 30, 2024 (नानोवरक स्पॉटलाइट) बड़े पैमाने पर किफायती ऊर्जा भंडारण विकल्पों की कमी के कारण नवीकरणीय पवन और सौर ऊर्जा में परिवर्तन एक महत्वपूर्ण बाधा का सामना करता है। लागत प्रभावी ग्रिड-स्तरीय बैटरियों के बिना, उतार-चढ़ाव और रुक-रुक कर होने वाली समस्याएं टिकाऊ पीढ़ी को व्यापक रूप से अपनाने को अव्यावहारिक बनाती हैं। सौर पैनलों और पवन टरबाइनों जैसे घटकों के लिए उत्पादन व्यय को कम करने के आशाजनक कदमों के बाद, भंडारण प्रौद्योगिकी दूर होने वाली आखिरी बाधा के रूप में उभरी है। अग्रणी बैटरी कंपनियों के गहन अनुसंधान एवं विकास के बावजूद, प्रचलित लिथियम-आयन रसायन इस एप्लिकेशन के लिए आवश्यक कम कीमतों, सुरक्षा, स्थिरता और उच्च चक्र जीवन के संयोजन को प्राप्त करने के लिए संघर्ष करते हैं। सोडियम-आयन बैटरियों की उभरती क्षमता ने प्रयासों को फिर से सक्रिय कर दिया है, लेकिन उनकी सफलता अत्यधिक दुर्लभ या विषाक्त पदार्थों के बिना उपयुक्त इलेक्ट्रोड के विकास पर निर्भर करती है। में प्रकाशित एक पेपर में उन्नत कार्यात्मक सामग्री ("चाय-व्युत्पन्न टिकाऊ सामग्री"), हार्वर्ड विश्वविद्यालय में डॉ. ज़िंगकाई झांग के नेतृत्व में एक टीम ने बेकार चाय की पत्तियों से प्राप्त एक नवीन सामग्री का उपयोग करके उच्च प्रदर्शन वाले सोडियम-आयन बैटरी एनोड के अपने विकास का विवरण दिया। हालिया प्रगति के आधार पर, जिसने सोडियम-आयन बैटरियों को प्रचलित लिथियम-आयन तकनीक का एक व्यवहार्य और कम लागत वाला विकल्प बना दिया है, शोधकर्ताओं का बायोमास-स्रोत एनोड उन गुणों को प्रदर्शित करता है जो अगली पीढ़ी को किफायती और टिकाऊ ग्रिड-स्तरीय ऊर्जा भंडारण को सक्षम कर सकते हैं। सोडियम-आयन बैटरियों के पिछले प्रयासों ने कम लागत हासिल की है, लेकिन लिथियम-आयन प्रभुत्व को विस्थापित करने के लिए चार्ज क्षमता, दीर्घायु और चार्जिंग दरों जैसे प्रदर्शन क्षेत्रों में बहुत अधिक नुकसान हुआ है। इसमें से अधिकांश मूलभूत रसायन विज्ञान की चुनौतियों से उत्पन्न होता है, क्योंकि सोडियम आयनों का बड़ा आकार बैटरी घटकों के भीतर तीव्र गति को प्रतिबंधित करता है। डॉ. झांग की टी लीव एनोड की केंद्रीय प्रगति इन अंतर्निहित सीमाओं को संतुलित करने के तरीके में निहित है। एक सीधी एक-चरणीय पायरोलिसिस प्रक्रिया के माध्यम से, शोधकर्ता कच्ची चाय की पत्ती के तनों को सोडियम-आयन भंडारण के लिए अनुकूलित "कठोर कार्बन" सामग्री में परिवर्तित करते हैं। मौजूदा कार्बन-आधारित एनोड की तुलना में, टीम की अपशिष्ट चाय-व्युत्पन्न हार्ड कार्बन, जिसे टीएस-1400-एचसीएल कहा जाता है, पूरे बोर्ड में काफी बेहतर मेट्रिक्स प्रदान करता है। यह 70% अधिक प्रारंभिक क्षमता, पहले चार्ज/डिस्चार्ज चक्र में 91% अधिक दक्षता और 7 चक्रों में 9-500 गुना अधिक दीर्घायु प्रदान करता है। गंभीर रूप से, टीएस-1400-एचसीएल एक स्केलेबल औद्योगिक प्रक्रिया के माध्यम से केवल सस्ते आधार घटकों का उपयोग करके इस महत्वपूर्ण प्रदर्शन को प्राप्त करता है।
टीएस-1400-एचसीएल की एचआरटीईएम छवि। (विले-वीसीएच वेरलाग द्वारा अनुमति के साथ पुनर्मुद्रित) शोधकर्ता टीएस-1400-एचसीएल की क्षमताओं का श्रेय पूर्ववर्ती चाय पत्ती के तने और रणनीतिक एसिड उपचार द्वारा सक्षम संरचनात्मक वृद्धि को देते हैं। इसकी प्राकृतिक रूप से छिद्रपूर्ण बायोमास संरचना सोडियम आयन सोखने के लिए पर्याप्त दोषों और रिक्तियों को बनाए रखते हुए इलेक्ट्रोलाइट प्रवेश की सुविधा प्रदान करती है। एसिड धोने से अशुद्धियाँ दूर हो जाती हैं जिसके कारण कच्चे रूप में क्षमता में कमी आती है। इस दोतरफा दृष्टिकोण के परिणामस्वरूप एक अनुकूलित कार्बन एनोड होता है जो ग्रेफाइट जैसी परतों के बीच विस्तारित दूरी, सूक्ष्म और मेसोपोर में प्रचुर सोखने वाली साइटें और बार-बार चार्ज करने पर उत्कृष्ट संरचनात्मक मजबूती प्रदान करता है। स्पेक्ट्रोस्कोपिक विश्लेषण के माध्यम से, डॉ. झांग के समूह ने पुष्टि की कि टीएस-1400-एचसीएल का सोडियम आयन भंडारण एक सतह सोखने की प्रक्रिया के माध्यम से होता है जो छिद्रों और दोषों को भरता है, इसके बाद बल्क इलेक्ट्रोड में गहराई से ग्रेफाइट शीट के बीच अंतर्संबंध होता है। यह दोहरा तंत्र, अनुरूपित बायोमास हार्ड कार्बन बनावट की ताकत का लाभ उठाते हुए, उच्च क्षमता और विद्युत दक्षता सुनिश्चित करने के लिए सामग्री का पूर्ण उपयोग करता है। पूर्ण सोडियम-आयन सिक्का सेल की वास्तविक दुनिया की व्यवहार्यता परीक्षणों ने बड़े पैमाने पर उत्पादन इलेक्ट्रोड के रूप में टीएस-1400-एचसीएल की उम्मीदवारी को और मजबूत किया। स्थिरता के लिए एनोड को प्राइम करने के लिए प्रीसोडिएटिंग किए बिना, डॉ. झांग की चाय की पत्ती की पूरी कोशिका Na के साथ3V2(पीओ4)3 कैथोड ने अभी भी 1000 से अधिक चक्रों में असाधारण दीर्घायु और वाणिज्यिक लिथियम-आयन बैटरियों के साथ प्रतिस्पर्धी ऊर्जा घनत्व हासिल किया है। बिना किसी विशेष प्रीप्रोसेसिंग के तत्परता के ऐसे प्रदर्शन टीएस-1400-एचसीएल की व्यवहार्यता और लागत-प्रभावशीलता को रेखांकित करते हैं। शोधकर्ताओं का अनुमान है कि उनके हार्ड कार्बन एनोड का उत्पादन करने के लिए उपयोग किए जाने वाले सस्ते एसिड उपचार और एनीलिंग से प्रतिस्पर्धी मूल्य निर्धारण लगभग 5-7 डॉलर प्रति किलोग्राम के पैमाने पर संभव हो सकेगा। कच्ची चाय पत्ती संसाधनों की प्रचुरता के साथ संयुक्त - अकेले चीन का वार्षिक उत्पादन 1 बिलियन किलोग्राम से अधिक है - डॉ. झांग के समूह का मानना है कि उनके बायोमास दृष्टिकोण में मुख्यधारा, किफायती बैटरी सामग्री के रूप में वास्तविक स्थिरता और सकारात्मक पर्यावरणीय प्रभाव की मजबूत क्षमता है। लागत में कमी के बजाय प्रदर्शन को अधिकतम करने पर केंद्रित पूरक कैथोड सामग्रियों में निरंतर अनुसंधान के साथ, टीएस-1400-एचसीएल जैसे इलेक्ट्रोड को एकीकृत करने वाली सोडियम-आयन बैटरियां जल्द ही बड़े पैमाने पर स्वच्छ ऊर्जा भंडारण और वितरण प्रणालियों को बड़े पैमाने पर अपना सकती हैं। कचरे को वाट में बदलने से, सस्ती, टिकाऊ और पृथ्वी के अनुकूल ग्रिड बैटरियों का आगमन एक कदम और करीब हो गया है।
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चरवाहा
- माइकल रॉयल सोसाइटी ऑफ केमिस्ट्री द्वारा तीन पुस्तकों के लेखक हैं:
नैनो-सोसाइटी: प्रौद्योगिकी की सीमाओं को धक्का देना,
नैनो टेक्नोलॉजी: द फ्यूचर इज टिनी, तथा
नैनोइंजीनियरिंग: स्किल्स एंड टूल्स मेकिंग टेक्नोलॉजी इनविजिबल
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नैनोवर्क एलएलसी
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