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तरल धातु माइक्रो-सुपरकैपेसिटर की इस नई पीढ़ी को खींचें, मोड़ें, मोड़ें और सिकोड़ें

प्लेटो द्वारा पुनर्प्रकाशित
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मार्च 18, 2024 (नानोवरक स्पॉटलाइट) पहनने योग्य प्रौद्योगिकी के आगमन ने ऊर्जा भंडारण समाधानों की अत्यधिक आवश्यकता ला दी है जो नरम इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लचीलेपन और विस्तारशीलता के साथ तालमेल रख सकते हैं। पारंपरिक कठोर बैटरियां और सुपरकैपेसिटर पहनने योग्य वस्तुओं में निर्बाध एकीकरण के लिए अपर्याप्त साबित हुए हैं जिन्हें मानव शरीर के अनुरूप होना चाहिए और दैनिक उपयोग के तनाव का सामना करना चाहिए। ऊर्जा भंडारण और डिवाइस लचीलेपन के बीच इस बेमेल ने स्वास्थ्य निगरानी, ​​स्मार्ट टेक्सटाइल और बायोमेडिकल प्रत्यारोपण जैसे क्षेत्रों में प्रगति में बाधा उत्पन्न की है। माइक्रो-सुपरकैपेसिटर (एमएससी) अपने उच्च-शक्ति घनत्व, तेज़ चार्जिंग और लंबे चक्र जीवन के कारण विकृत ऊर्जा भंडारण के लिए एक आशाजनक उम्मीदवार के रूप में उभरे हैं। हालाँकि, बार-बार खींचने और मुड़ने को सहन करने वाली सामग्रियों का उपयोग करके उच्च-प्रदर्शन MSCs के लिए आवश्यक जटिल इंटरडिजिटेटेड इलेक्ट्रोड पैटर्न बनाना चुनौतीपूर्ण साबित हुआ है। जबकि शोधकर्ताओं ने आविष्कारशील पैटर्निंग और लोचदार सब्सट्रेट्स के माध्यम से लचीलेपन को बढ़ाने में प्रगति की है, कई दृष्टिकोणों को जटिल निर्माण की आवश्यकता होती है और अभी भी अत्यधिक विरूपण के तहत विफल होते हैं। अब, कोरिया इंस्टीट्यूट ऑफ इंडस्ट्रियल टेक्नोलॉजी के प्रोफेसर और डॉ. चानवू यांग के नेतृत्व में एक सहयोगात्मक शोध प्रयास जिन कोन किम पोहांग विज्ञान एवं प्रौद्योगिकी विश्वविद्यालय ने एक संभावित समाधान निकाला है। में प्रकाशित उनके पेपर में एनपीजे फ्लेक्सिबल इलेक्ट्रॉनिक्स ("ग्राफीन/तरल धातु के लेजर एब्लेशन पैटर्निंग के माध्यम से निर्मित विकृत माइक्रो-सुपरकैपेसिटर"), टीम अत्यधिक विकृत के निर्माण का विवरण देती है graphene आधारित MSCs का उपयोग कर रहे हैं तरल धातू एक लोचदार बहुलक सब्सट्रेट पर वर्तमान संग्राहक। विकृत माइक्रो-सुपरकैपेसिटर के लिए निर्माण प्रक्रिया a सॉफ्ट-इलेक्ट्रॉनिक्स और विकृत ऊर्जा भंडारण घटक से युक्त एक एकीकृत प्रणाली का चित्रण। b EgaIn-आधारित MSC की निर्माण प्रक्रिया। c एसईबीएस, ईजीएइन और ग्राफीन का यूवी-विज़ स्पेक्ट्रा। लेज़र एब्लेटेड की FE-SEM छवियां d ग्राफीन/ईजीएइन और e ईगैइन (स्केल बार = 200 µm)। की तस्वीरें f संस्थान का लोगो, g विकृत लोगो, और h एमएससी सर्किट से जुड़ी एक एलईडी (स्केल बार = 1 सेमी)। (छवि: © एनपीजे फ्लेक्सिबल इलेक्ट्रॉनिक्स) मुख्य नवाचार वर्तमान संग्राहक के रूप में एक तरल धातु मिश्र धातु, यूटेक्टिक गैलियम-इंडियम (ईजीएइन) के उपयोग में निहित है। "एक विकृत एमएससी को लागू करने के लिए, एक विकृत वर्तमान कलेक्टर की आवश्यकता होती है," किम नैनोवेर्क को बताते हैं। “हालांकि, आमतौर पर उपयोग किए जाने वाले वर्तमान संग्राहक सोने (एयू) जैसी भंगुर सामग्री से बने होते हैं। इस समस्या के समाधान के लिए, हमने 'तरल धातु' को चुना है जिसमें स्वाभाविक रूप से तरल और धात्विक चालकता के गुण होते हैं। निर्माण प्रक्रिया एक स्ट्रेचेबल स्टाइरीन-एथिलीन-ब्यूटिलीन-स्टाइरीन (एसईबीएस) सब्सट्रेट पर ईजीएइन की एक पतली फिल्म कोटिंग के साथ शुरू होती है, जिसके बाद सक्रिय इलेक्ट्रोड सामग्री के रूप में काम करने के लिए ग्राफीन परत का जमाव होता है। शोधकर्ताओं ने पारदर्शी एसईबीएस की तुलना में इन सामग्रियों के मजबूत लेजर अवशोषण का फायदा उठाते हुए, लेजर का उपयोग करके इंटरडिजिटेटेड पैटर्न प्राप्त करने के लिए ग्राफीन और ईजीएइन को चुनिंदा रूप से अलग किया। लेजर की तीव्रता को सावधानीपूर्वक ट्यून करके, वे अंतर्निहित लोचदार सब्सट्रेट को नुकसान पहुंचाए बिना सटीक पैटर्निंग प्राप्त करते हैं। इस दृष्टिकोण की सफलता के लिए सामग्रियों का चयन महत्वपूर्ण साबित होता है। किम कहते हैं, "हमने लेजर की तरंग दैर्ध्य के उत्कृष्ट अवशोषण का उपयोग करके तरल धातु की पैटर्निंग सफलतापूर्वक हासिल की।" "इसके अलावा, लेजर की तीव्रता को समायोजित करके, हमने लेजर से प्रेरित गर्मी के कारण सब्सट्रेट को होने वाले नुकसान को रोका, जबकि ग्राफीन और तरल धातु दोनों को लेजर द्वारा समाप्त कर दिया गया था।" एसईबीएस सब्सट्रेट, जो लेजर तरंग दैर्ध्य को अवशोषित नहीं करता है, एब्लेशन के दौरान उत्पन्न गर्मी का सामना कर सकता है, जिससे 90 µm जितने छोटे इलेक्ट्रोड अंतराल के साथ उच्च-रिज़ॉल्यूशन पैटर्न बनाने की अनुमति मिलती है। परिणामी MSCs प्रभावशाली प्रदर्शन प्रदर्शित करते हैं, 1336 μF सेमी तक क्षेत्रीय कैपेसिटेंस प्राप्त करते हैं-2 अच्छी दर क्षमता बनाए रखते हुए। महत्वपूर्ण बात यह है कि 1000 विरूपण चक्रों के बाद भी, उपकरण विभिन्न यांत्रिक विकृतियों के तहत कोई महत्वपूर्ण गिरावट नहीं दिखाते हैं, जिसमें फोल्डिंग, झुर्रियाँ, मोड़ और खिंचाव शामिल हैं। "तरल धातु वर्तमान कलेक्टर का उपयोग करने वाले एमएससी ने विभिन्न यांत्रिक विकृतियों के तहत और बार-बार विकृतियों के बाद भी ऊर्जा भंडारण प्रदर्शन में कोई बदलाव नहीं दिखाया," किम ने पहनने योग्य और लचीले इलेक्ट्रॉनिक्स को शक्ति देने के लिए इन उपकरणों की क्षमता पर प्रकाश डाला। अपने एमएससी की व्यावहारिक क्षमता को प्रदर्शित करने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक स्ट्रेचेबल प्रकाश व्यवस्था बनाने के लिए प्रकाश उत्सर्जक डायोड के साथ उपकरणों की एक श्रृंखला को एकीकृत किया। सिस्टम ने गंभीर रूप से झुकने, मुड़ने और खिंचाव के तहत स्थिर संचालन बनाए रखा, जो विकृत इलेक्ट्रॉनिक्स को विश्वसनीय रूप से शक्ति प्रदान करने की एमएससी की क्षमता को प्रदर्शित करता है। आगे देखते हुए, किम और यांग भविष्य के अनुप्रयोगों के लिए और सुधार और रोमांचक संभावनाओं की गुंजाइश देखते हैं। "एमएससी के क्षेत्र में, एक साथ उच्च ऊर्जा घनत्व और उच्च विरूपण क्षमता प्राप्त करना एक महत्वपूर्ण चुनौती बनी हुई है," वे कहते हैं। "ऐसा इसलिए है, क्योंकि यांत्रिक विरूपण के दौरान, न केवल वर्तमान कलेक्टर और सक्रिय सामग्री के बीच इंटरफ़ेस को अच्छी तरह से बनाए रखा जाना चाहिए, बल्कि सक्रिय सामग्रियों की ऊर्जा घनत्व को भी बढ़ाया जाना चाहिए। इसलिए, इस मुद्दे का समाधान किया जाना चाहिए।” जबकि इन एमएससी में उपयोग किए जाने वाले जेल इलेक्ट्रोलाइट के यांत्रिक स्थायित्व को बढ़ाने के लिए अतिरिक्त काम की आवश्यकता है, लेजर-पैटर्न वाले तरल धातु इलेक्ट्रोड का उपयोग वास्तव में विकृत ऊर्जा भंडारण समाधान के विकास में एक महत्वपूर्ण कदम का प्रतिनिधित्व करता है। जैसे-जैसे पहनने योग्य प्रौद्योगिकियां आगे बढ़ रही हैं, इस तरह के नवाचार यह सुनिश्चित करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाएंगे कि हमारे उपकरण हमारी गतिशील जीवनशैली की मांगों के अनुकूल हो सकें। हमारे स्वास्थ्य की निगरानी करने वाले स्मार्ट कपड़ों से लेकर हमारे शरीर के साथ लचीले होने वाले बायोमेडिकल प्रत्यारोपण तक, पहनने योग्य इलेक्ट्रॉनिक्स का भविष्य ऊर्जा भंडारण प्रणालियों पर निर्भर करेगा जो न केवल कॉम्पैक्ट और शक्तिशाली हैं बल्कि हमारी तरह लचीले भी हैं। तरल धातु कंडक्टर, लोचदार सब्सट्रेट्स और उच्च इलेक्ट्रोकेमिकल प्रदर्शन के अपने अद्वितीय संयोजन के साथ, ग्राफीन आधारित एमएससी उस भविष्य में एक रोमांचक झलक पेश करते हैं, जो पहनने योग्य ऊर्जा भंडारण में जो संभव है उसकी सीमाओं को बढ़ाते हैं। जैसे-जैसे इस क्षेत्र में अनुसंधान आगे बढ़ता है, हम पहनने योग्य उपकरणों की एक नई पीढ़ी की आशा कर सकते हैं जो हमारे जीवन के साथ सहजता से एकीकृत हो, विकृत ऊर्जा भंडारण समाधानों द्वारा सशक्त हो जो हमें कभी पीछे नहीं खींचती।


माइकल बर्जर
By

माइकल
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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