ক্যাপাসিটারগুলি প্রাথমিকভাবে চার্জ স্টোরেজ ডিভাইস, কিন্তু ব্যাটারির তুলনায়, তাদের চার্জ সঞ্চয় করার ক্ষমতা বেশ কম। যাইহোক, তাদের আয়ুষ্কাল ব্যাটারির চেয়ে অনেক বেশি, ক্যাপাসিটরগুলির কাজের মূল নীতি একই, যদিও তারা তাদের অভ্যন্তরীণ নির্মাণের উপর ভিত্তি করে বিভিন্ন বিভাগে বিভক্ত। গ্রাফিন ক্যাপাসিটর হল এক ধরনের সুপারক্যাপাসিটর যাতে গ্রাফিনের স্তর থাকে যা ইলেকট্রনের অনেক বেশি মুক্ত চলাচল সরবরাহ করে এবং কার্যকর উপায়ে তাপ অপচয়ের অনুমতি দেয়।
রূপরেখা:
- সুপারক্যাপাসিটার কি?
- সুপারক্যাপাসিটারের কাজ
- গ্রাফিন সুপারক্যাপাসিটর
- সুপারক্যাপাসিটারে গ্রাফিন-ভিত্তিক ইলেক্ট্রোড
- গ্রাফিন-ভিত্তিক সুপারক্যাপাসিটর পারফরম্যান্স
- উপসংহার
সুপারক্যাপাসিটার কি?
গ্রাফিন ক্যাপাসিটর বোঝার জন্য, সুপারক্যাপাসিটর সম্পর্কে জ্ঞান থাকা প্রয়োজন কারণ গ্রাফিন ক্যাপাসিটরও সুপার ক্যাপাসিটরগুলির বিভাগে পড়ে। সাধারণ ক্যাপাসিটারগুলির বিপরীতে, সাপার ক্যাপাসিটারগুলির একটি আলাদা অভ্যন্তরীণ গঠন রয়েছে, যা তাদের বৈশিষ্ট্যগুলিকেও প্রভাবিত করে। সুপারক্যাপাসিটরের ইলেক্ট্রোলাইট রয়েছে যা একটি নিরোধক মাধ্যম দ্বারা পৃথক করা হয় এবং সক্রিয় কার্বন ইলেক্ট্রোড রয়েছে যা ইলেক্ট্রোলাইটের সাথে যোগাযোগ করে। ইলেক্ট্রোলাইট প্রধানত সালফিউরিক অ্যাসিড বা পটাসিয়াম অক্সাইড, এবং বিভাজক সাধারণত ক্যাপ্টন হয়:
সুপারক্যাপাসিটারের কাজ
যখন একটি সুপারক্যাপাসিটর কোন শক্তির উৎসের সাথে সংযুক্ত থাকে না, তখন চার্জগুলি তাদের পোলারিটি নির্বিশেষে ইলেক্ট্রোলাইট জুড়ে ছড়িয়ে ছিটিয়ে থাকে, যখন শক্তির উত্সটি এটির জুড়ে সংযুক্ত থাকে তখন ক্যাপাসিটর থেকে কারেন্ট প্রবাহিত হতে শুরু করে এবং অ্যানোডটি ধনাত্মক চার্জ পায়। ইলেক্ট্রোলাইটের নেতিবাচক আয়নগুলি অ্যানোড ইলেক্ট্রোডের দিকে চলে যায়। যেখানে ক্যাথোড নেতিবাচকভাবে চার্জ হয় এবং সমস্ত ধনাত্মক আয়ন ক্যাথোডের দিকে চলে যায়:
ইলেক্ট্রোড এবং ইলেক্ট্রোলাইটের মধ্যে আকর্ষণের এই বলটি ইলেক্ট্রোস্ট্যাটিক বল এবং ইলেক্ট্রোডের প্রতি আয়নের এই আকর্ষণ বৈদ্যুতিক ডাবল স্তর গঠনের কারণ হয়। এই স্তরটি চার্জ সংরক্ষণের জন্য দায়ী এবং এই স্তরের গঠনের কারণে সুপারক্যাপাসিটারগুলিকে বৈদ্যুতিক ডাবল-লেয়ার ক্যাপাসিটরও বলা হয়।
এইভাবে সুপারক্যাপাসিটর চার্জ করা হয় এবং যখন সুপারক্যাপাসিটরের টার্মিনাল জুড়ে কোনো লোড সংযুক্ত থাকে তখন ইলেক্ট্রোডের চার্জ লোড থেকে প্রবাহিত হতে শুরু করে। এইভাবে উভয় ইলেক্ট্রোড চার্জ হারাতে শুরু করে কারণ তারা চার্জ আকর্ষণ করতে অক্ষম হয় এবং ফলস্বরূপ যখন সমস্ত চার্জ ইলেক্ট্রোড ছেড়ে যায় তখন ক্যাপাসিটরটি ডিসচার্জ হয়।
সুতরাং এখন আয়নগুলি আবার ইলেক্ট্রোলাইট জুড়ে ছড়িয়ে ছিটিয়ে রয়েছে এবং এইভাবে একটি সাধারণ সুপারক্যাপাসিটর কাজ করে।
গ্রাফিন সুপারক্যাপাসিটর
গ্রাফিন গ্রাফাইট থেকে আসে যা বেশিরভাগ পেন্সিলের ভিতরে থাকে এবং একই সংখ্যক পরমাণুযুক্ত কার্বনের একটি ইলেক্ট্রোড, তবে এগুলি ভিন্নভাবে সাজানো হয়। গ্রাফাইটের বিপরীতে, গ্রাফিনের একটি দ্বি-মাত্রিক একক-পরমাণু স্তর রয়েছে যা একটি ষড়ভুজ মৌচাক আকারে সাজানো হয়েছে। এই কাঠামোটি পরমাণুকে শক্তিশালী সমযোজী বন্ধন তৈরি করতে দেয় যা এটিকে উচ্চ প্রসার্য শক্তি এবং উচ্চ নমনীয়তা দেয়। এই বৈশিষ্ট্যগুলির কারণে, গ্রাফিন ইলেকট্রনগুলিকে অবাধে চলাচল করতে দেয় এবং উচ্চতর বৈদ্যুতিক পরিবাহিতা থাকে।
যেহেতু সুপারক্যাপাসিটরগুলির প্লেটগুলির মধ্যে ছোট দূরত্ব রয়েছে যা তাদের আরও স্ট্যাটিক চার্জ সঞ্চয় করতে দেয়, তাই গ্রাফিনের একটি খুব পাতলা স্তর রয়েছে যা অ্যালুমিনিয়াম স্তরের তুলনায় একটি পরমাণুর আকার। এইভাবে, গ্রাফিন ক্যাপাসিটরের যথেষ্ট পরিমাণে পৃষ্ঠের ক্ষেত্রফল রয়েছে, যা এটিকে অন্যান্য সুপারক্যাপাসিটরের তুলনায় আরও বেশি শক্তি সঞ্চয় করতে দেয়।
সুপারক্যাপাসিটারে গ্রাফিন-ভিত্তিক ইলেকট্রোড
উপরে উল্লিখিত গ্রাফিন একটি বৃহত্তর পৃষ্ঠ এলাকা প্রদান করে যা চার্জ সংরক্ষণের জন্য ক্যাপাসিটরের ক্ষমতা বাড়ায়। গ্রাফিন ব্যবহার করে ইলেক্ট্রোড তৈরির জন্য বিভিন্ন কৌশল ব্যবহার করা হয় এবং তার মধ্যে দুটি হল:
গ্রাফিন ফোম দ্বারা তৈরি
গ্রাফিন ফেনা ব্যবহার করে তৈরি গ্রাফিন ইলেক্ট্রোড উচ্চ পরিবাহিতা, হালকা ওজনের এবং নমনীয় ইলেক্ট্রোড প্রদান করে যার ক্ষেত্রফল কয়েক সেমি পর্যন্ত বাড়ানো যায় 2 এবং উচ্চতা কয়েক মিলিমিটার পর্যন্ত। গ্রাফিন ফেনা একটি নিকেল বা তামার ফেনার উপর বৃদ্ধি করে রাসায়নিক বাষ্প জমা করার কৌশল দ্বারা তৈরি করা হয়। যখন তামার ফেনার উপর একটি গ্রাফিন ফেনা তৈরি করা হয় তখন এটি একটি উচ্চ-মানের গ্রাফিন স্তর তৈরি করে, কিন্তু ধাতব সমর্থন সরানো হলে কাঠামোটি সহজেই ভেঙে যেতে পারে। যাইহোক, এর পরিবর্তে একটি নিকেল ফোম একটি মাল্টিলেয়ার গ্রাফিন স্তর তৈরি করতে ব্যবহার করা যেতে পারে যা কোনও ক্ষতি ছাড়াই ধাতব সমর্থন থেকে সাবধানে টানা যায়। তদুপরি, এই রাসায়নিক সংশ্লেষণ ব্যবহার করে নিকেল ফোমের মাধ্যমে হ্রাসকৃত গ্রাফিন অক্সাইডও তৈরি করা যেতে পারে। গ্রাফিনের সাথে কিছু সংযোজন ব্যবহার করা হয় যা উচ্চ শক্তির ঘনত্ব অর্জনে সহায়তা করে এবং ইলেকট্রন এবং আয়নগুলির জন্য ছোট পথ প্রদান করে এইভাবে চার্জের গতি বৃদ্ধি করে। এই সংযোজনগুলি ধাতব অক্সাইড, পরিবাহী পলিমার এবং ধাতব হাইড্রোক্সাইড হতে পারে, যা গ্রাফিন-ভিত্তিক ইলেক্ট্রোডের বানোয়াট কম ব্যয়বহুল করে তোলে।
উপরের চিত্রটি রাসায়নিক বাষ্প জমার পদ্ধতি ব্যবহার করে গ্রাফিন স্তর গঠনের প্রক্রিয়াটি চিত্রিত করে।
লেজার রাইটিং দ্বারা বানোয়াট
লেজার লেখার পদ্ধতি তুলনামূলকভাবে কম ব্যয়বহুল এবং বৃহৎ এলাকা হ্রাস কৌশল হ্রাস করে একক ধাপে 3D ছিদ্রযুক্ত গ্রাফিন তৈরি করে। এই পদ্ধতিতে প্রথমে, গ্রাফিনের একটি পাতলা স্তর টেমপ্লেটে জমা করা হয়, এবং তারপর বাণিজ্যিক লেজার গ্রাফিন অক্সাইড স্তরটিকে বিকিরণ করে। যখন লেজারের আলো গ্রাফিন অক্সাইডে ঘটে তখন এটি এক্সপোজার এলাকায় ছিদ্রযুক্ত পরিবাহী উপাদান তৈরি করে।
ফলস্বরূপ, ইলেক্ট্রোলাইট আয়নগুলির পৃষ্ঠের ক্ষেত্রফল বৃদ্ধি পায় এবং অক্সিজেনের পরিমাণ উল্লেখযোগ্যভাবে হ্রাস পায়। পূর্ববর্তী পদ্ধতির মতো, কিছু সংযোজন সরাসরি লেজারের লেখায় ব্যবহার করা যেতে পারে যেটি হল সাবস্ট্রেটটি গ্রাফিন অক্সাইড এবং পলিমারের মিশ্রণ হতে পারে বা সাবস্ট্রেটটি শুধুমাত্র পলিমারও হতে পারে। এখানে একটি চিত্র যা সরাসরি লেজার লেখার প্রক্রিয়াকে চিত্রিত করে:
গ্রাফিন-ভিত্তিক সুপারক্যাপাসিটর পারফরম্যান্স
গ্রাফিন ক্যাপাসিটারগুলির একটি কার্যকর ইলেক্ট্রন এবং আয়ন স্থানান্তর রয়েছে, যার ফলে উচ্চ মাধ্যাকর্ষণ এবং ভলিউমেট্রিক ক্ষমতা রয়েছে। অধিকন্তু, তারা একটি উচ্চ চক্র হার স্থিতিশীলতা এবং উচ্চ শক্তি ক্ষমতা প্রদর্শন করে।
বিভিন্ন শক্তি সঞ্চয়কারী ডিভাইসের কর্মক্ষমতা এবং আচরণ অধ্যয়নের জন্য একটি Ragone প্লট ব্যবহার করা হয় যেখানে নির্দিষ্ট শক্তির (Wh/Kg) মান নির্দিষ্ট শক্তির (W/Kg) বিপরীতে প্লট করা হয়। গ্রাফটি উভয় অক্ষের জন্য একটি লগ স্কেল ব্যবহার করে। y-অক্ষ নির্দিষ্ট শক্তি পরিমাপ করে, যা প্রতি ইউনিট ভরে শক্তির পরিমাণ। x-অক্ষ শক্তির ঘনত্ব পরিমাপ করে, যা প্রতি ইউনিট ভরে শক্তি সরবরাহের হার।
রাগন প্লটের একটি বিন্দু এইভাবে অন্য কথায় y-অক্ষে শক্তি (প্রতি ইউনিট ভর) x-অক্ষের শক্তিতে (প্রতি ইউনিট ভর) সরবরাহ করা যেতে পারে এমন সময় দেয় এবং সেই সময়টি ( এক ঘন্টায়) শক্তি এবং শক্তি ঘনত্বের মধ্যে অনুপাত হিসাবে দেওয়া হয়। পরবর্তীকালে, একটি Ragone প্লটে আইসো-বক্ররেখা (ধ্রুবক প্রসবের সময়) একটি একতা ঢাল সহ সরল রেখা। নীচের রাগন প্লটটি বিভিন্ন শক্তি-সঞ্চয়কারী ডিভাইসের জন্য নির্দিষ্ট শক্তি (Wh/Kg) বনাম নির্দিষ্ট শক্তি (W/Kg) দেখায়:
উপসংহার
গ্রাফিন ক্যাপাসিটর হল এক ধরনের সুপারক্যাপসিটর যাতে গ্রাফিন থেকে তৈরি ইলেক্ট্রোড থাকে যা গ্রাফাইট থেকে আসে। গ্রাফিন ইলেক্ট্রোলাইটকে একটি বৃহৎ সারফেস এরিয়া প্রদান করে যার ফলে ক্যাপাসিট্যান্স বৃদ্ধি পায় এবং চার্জ করার সময়ও কম থাকে। তাছাড়া, গ্রাফিন ইলেক্ট্রোড তৈরির বিভিন্ন কৌশল রয়েছে, তার মধ্যে দুটি হল: গ্রাফিন ফোম এবং সরাসরি লেজার লেখা।