ಶಕ್ತಿ ಸಂಗ್ರಹ ಆನ್ವಯಿಕತೆಗಳಿಗಾಗಿ ಹೊಸ ಸೂಪರ್ ಕೆಪಾಸಿಟರ್

31ನೇ ಮಾರ್ಚ್ 2023

– ಪ್ರತಿಭಾ ಗೋಪಾಲಕೃಷ್ಣ

ಭಾರತೀಯ ವಿಜ್ಞಾನ ಸಂಸ್ಥೆಯ (ಐಐಎಸ್‌ಸಿ) ಇನ್ಸ್ಟ್ರುಮೆಂಟೇಶನ್ ಅಂಡ್ ಮತ್ತು ಅನ್ವಯಿಕ ಭೌತಶಾಸ್ತ್ರ (ಐಎಪಿ) ವಿಭಾಗದ ಸಂಶೋಧಕರು ಹೊಚ್ಚ ಹೊಸ ಅಲ್ಟ್ರಾಮೈಕ್ರೋ ಸೂಪರ್ ಕೆಪ್ಯಾಸಿಟರ್ ಅನ್ನು ವಿನ್ಯಾಸಗೊಳಿಸಿದ್ದಾರೆ.

ಇದು ಬಹುದೊಡ್ಡ ಪ್ರಮಾಣದಲ್ಲಿ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಿಕ್ ಚಾರ್ಜ್ ಗಳನ್ನು ಸಂಗ್ರಹಿಸಬಲ್ಲ ಪುಟಾಣಿ ಸಾಧನವಾಗಿದೆ. ಇದು ಈಗ ಅಸ್ತಿತ್ವದಲ್ಲಿರುವ ಸೂಪರ್ ಕೆಪಾಸಿಟರ್ ಗಳಿಗಿಂತ ಸಾಕಷ್ಟು ಪುಟ್ಟದಾಗಿಯೂ ಹಾಗೂ ಅಡಕವಾಗಿಯೂ ಇದೆ. ಇದನ್ನು ಹಲವಾರು ಬಗೆಯ ಉಪಕರಣಗಳಲ್ಲಿ ಬಳಸಬಹುದಾದ ಸಾಧ್ಯತೆ ಇದೆ. ಅಂದರೆ, ಬೀದಿ ದೀಪಗಳಿಂದ ಹಿಡಿದು ಗ್ರಾಹಕ ಬಳಕೆಯ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನಿಕ್ಸ್, ಎಲೆಕ್ಟ್ರಿಕ್ ಕಾರುಗಳು ಹಾಗೂ ವೈದ್ಯಕೀಯ ಸಾಧನಗಳವರೆಗೆ ಇದರ ಬಳಕೆ ಶ್ರೇಣಿ ವಿಶಾಲ ವ್ಯಾಪ್ತಿ ಹೊಂದಿದೆ‌.

ಇಂತಹ ಬಹುತೇಕ ಸಾಧನಗಳಿಗೆ ಸದ್ಯ ಬ್ಯಾಟರಿಗಳು ಶಕ್ತಿಯ ಮೂಲವಾಗಿವೆ. ಆದರೆ, ಕಾಲಕ್ರಮೇಣ ಈ ಬ್ಯಾಟರಿಗಳು ತಮ್ಮ ಚಾರ್ಜ್ ಸಂಗ್ರಹ ಸಾಮರ್ಥ್ಯವನ್ನು ಕಳೆದುಕೊಳ್ಳುತ್ತವೆ. ಹೀಗಾಗಿ, ಇವುಗಳ ಬಾಳಿಕೆ ಅವಧಿ ಸೀಮಿತವಾಗಿರುತ್ತದೆ. ಮತ್ತೊಂದೆಡೆ, ಕೆಪಾಸಿಟರ್ ಗಳು ತಮ್ಮ ವಿನ್ಯಾಸದ ಕಾರಣದಿಂದಾಗಿಯೇ ಚಾರ್ಜ್ ಅನ್ನು ಸಾಕಷ್ಟು ಹೆಚ್ಚಿನ ಅವಧಿಯವರೆಗೆ ಸಂಗ್ರಹಿಸಿಕೊಳ್ಳಬಲ್ಲ ಸಾಮರ್ಥ್ಯ ಹೊಂದಿರುತ್ತವೆ. ಉದಾಹರಣೆಗೆ ಹೇಳುವುದಾದರೆ, 5 ವೋಲ್ಟೇಜ್ ನಲ್ಲಿ ಕಾರ್ಯಾಚರಿಸುವ ಒಂದು ಕೆಪಾಸಿಟರ್ 10 ವರ್ಷಗಳ ನಂತರವೂ ಅದೇ ವೋಲ್ಟೇಜ್ ನಲ್ಲಿ ಕಾರ್ಯಾಚರಿಸುವುದನ್ನು ಮುಂದುವರಿಸುತ್ತದೆ. ಆದರೆ, ಅವು ಬ್ಯಾಟರಿಗಳಂತೆ ಶಕ್ತಿಯನ್ನು ನಿರಂತರವಾಗಿ ಬಿಡುಗಡೆ ಮಾಡಲಾರವು (ಉದಾಹರಣೆಗೆ, ಮೊಬೈಲ್ ಫೋನ್ ಗೆ ಶಕ್ತಿ ಪೂರೈಸುವುದು)

ಆದರೆ ಸೂಪರ್ ಕೆಪಾಸಿಟರ್ ಗಳು ಬ್ಯಾಟರಿ ಮತ್ತು ಕೆಪಾಸಿಟರ್ ಇವೆರಡರ ಅತ್ಯುತ್ಕೃಷ್ಟ ಗುಣ ಸ್ವಭಾವಗಳನ್ನು ಮೇಳೈಸಿಕೊಂಡಿರುತ್ತವೆ.
ಅಂದರೆ, ಅವುಗಳಿಗೆ ದೊಡ್ಡ ಪ್ರಮಾಣದಲ್ಲಿ ಶಕ್ತಿಯನ್ನು ಸಂಗ್ರಹಿಸಿಕೊಳ್ಳಬಲ್ಲ ಹಾಗೂ ಬಿಡುಗಡೆ ಮಾಡಬಲ್ಲ ಸಾಮರ್ಥ್ಯ ಇರುತ್ತದೆ. ಈ ಕಾರಣದಿಂದಾಗಿಯೇ ಮುಂದಿನ ತಲೆಮಾರಿನ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನಿಕ್ ಸಾಧನಗಳಲ್ಲಿ ಇವುಗಳ ಬಳಕೆಗೆ ಅತ್ಯಂತ ಹೆಚ್ಚಿನ ಬೇಡಿಕೆ ಇದೆ.

ಸದ್ಯ ಅಸ್ತಿತ್ವದಲ್ಲಿರುವ ಕೆಪ್ಯಾಸಿಟರ್ ಗಳಲ್ಲಿ ಬಳಸುವ ಲೋಹೀಯ ಎಲೆಕ್ಟ್ರೋಡ್ ಗಳಿಗೆ ಬದಲಾಗಿ ಫೀಲ್ಡ್ ಎಫೆಕ್ಟ್ ಟ್ರಾನ್ಸ್ ಸಿಸ್ಟರ್ ಗಳನ್ನು (ಎಫ್‌ಇಟಿಗಳನ್ನು) ಚಾರ್ಜ್ ಸಂಗ್ರಾಹಕಗಳನ್ನಾಗಿ ಬಳಸಿ ತಾವು ಸೂಪರ್ ಕೆಪ್ಯಾಸಿಟರ್ ಗಳನ್ನು ಫ್ಯಾಬ್ರಿಕೇಟ್ ಮಾಡಿದ ಬಗೆಯನ್ನು ಸಂಶೋಧಕರು ಎಸಿಎಸ್ ಎನರ್ಜಿ ಲೆಟರ್ಸ್ ನಲ್ಲಿ ಪ್ರಕಟಿಸಿದ ಅಧ್ಯಯನ ವರದಿಯಲ್ಲಿ ವಿವರಿಸಿದ್ದಾರೆ. “ಸೂಪರ್ ಕೆಪ್ಯಾಸಿಟರ್ ನಲ್ಲಿ ಎಫ್ ಇ ಟಿ ಯನ್ನು ಎಲೆಕ್ಟ್ರೋಡ್ ಆಗಿ ಬಳಸುವುದು ಹೊಸ ವಿಧಾನ ಎನ್ನುತ್ತಾರೆ” ಐಎಪಿ ಪ್ರಾಧ್ಯಾಪಕ ಹಾಗೂ ಈ ಅಧ್ಯಯನದ ಸಹಲೇಖಕರಾದ ಅಭಾ ಮಿಶ್ರಾ.

ಸದ್ಯ ಕೆಪ್ಯಾಸಿಟರ್ ಗಳಲ್ಲಿ ಲೋಹದ ಆಕ್ಸೈಡ್ ಆಧಾರಿತ ಎಲೆಕ್ಟ್ರೋಡ್ ಗಳು ಬಳಕೆಯಾಗುತ್ತಿವೆ. ಆದರೆ, ಹೀಗೆ ಮಾಡಿದಾಗ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನುಗಳ ಚಲನೆ ಕಳಪೆ ಮಟ್ಟದಲ್ಲಿರುತ್ತದೆ. ಈ ಮಿತಿಯನ್ನು ಹೋಗಲಾಡಿಸುವ ಸಲುವಾಗಿ ಅಭಾ ಮಿಶ್ರಾ ಹಾಗೂ ಅವರ ತಂಡದವರು ಹೈಬ್ರಿಡ್ ಎಫ್.ಇ.ಟಿ. ಗಳನ್ನು ನಿರ್ಮಿಸಲು ನಿರ್ಧಾರ ಮಾಡಿದರು. ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನುಗಳ ಚಲನೆ ಹೆಚ್ಚಿಸಲು ಮಾಲಿಬ್ಡೆನಂ ಡೈಸಲ್ಫೈಡ್ (MoS2) ಮತ್ತು ಗ್ರಾಫೀನ್ ನ ಪದರಗಳನ್ನು ಒಂದರ ಮೇಲೊಂದು ಇರುವಂತೆ ಕೂರಿಸಿ ರೂಪಿಸಲಾದ ಕೆಲವು ಅಣುಗಳಷ್ಟು ದಪ್ಪನೆಯ ಪದರಗಳ ರಚನೆ ಇದಾಗಿರುತ್ತದೆ. ನಂತರ, ಇದನ್ನು ಬಂಗಾರದ ಕಾಂಟ್ಯಾಕ್ಟ್ ಗಳಿಗೆ ಸಂಪರ್ಕ ಕಲ್ಪಿಸಲಾಗುತ್ತದೆ. ಎರಡು ಎಫ್‌ಇಟಿ ಎಲೆಕ್ಟ್ರೋಡ್ ಗಳ ನಡುವೆ ಘನೀಯ ಜೆಲ್ ವಿದ್ಯುದ್ರಾವಣ (ಎಲೆಕ್ಟ್ರೋಲೈಟ್) ಬಳಸುವ ಮೂಲಕ ಘನ-ಸ್ಥಿತಿಯ ಸೂಪರ್ ಕೆಪ್ಯಾಸಿಟರ್ ರೂಪಿಸಲಾಗುತ್ತದೆ. ಇಡೀ ಸಂರಚನೆಯನ್ನು ಸಿಲಿಕಾನ್ ಡೈ ಆಕ್ಸೈಡ್/ ಸಿಲಿಕಾನ್ ಅಡಿಕಟ್ಟಿನ ಮೇಲೆ ನಿರ್ಮಿಸಲಾಗುತ್ತದೆ.

“ಎರಡು ವ್ಯವಸ್ಥೆಗಳನ್ನು ಸಂಯೋಜನೆಗೊಳಿಸುವುದರಿಂದ ವಿನ್ಯಾಸಗೊಳಿಸುವಿಕೆಯು ನಿರ್ಣಾಯಕ ಅಂಶವಾಗಿರುತ್ತದೆ” ಎನ್ನುತ್ತಾರೆ ಮಿಶ್ರಾ.
ವಿಭಿನ್ನ ಚಾರ್ಜ್ ಸಾಮರ್ಥ್ಯಗಳನ್ನು ಹೊಂದಿರುವ ಎರಡು ಎಫ್ಇಟಿ ಎಲೆಕ್ಟ್ರೋಡ್ ಗಳು ಮತ್ತು ಅಯಾನಿಕ್ ಮಾಧ್ಯಮವಾದ ಜೆಲ್ ಎಲೆಕ್ಟ್ರೋಲೈಟ್ ಈ ಎರಡು ವ್ಮವಸ್ಥೆಗಳಾಗಿರುತ್ತವೆ. ಟ್ರಾನ್ಸ್ ಸಿಸ್ಟರ್ ನಲ್ಲಿನ ಎಲ್ಲಾ ಉತ್ಕೃಷ್ಟ ಗುಣ ಸ್ವಭಾವಗಳನ್ನು ಹೊಂದುವಂತೆ ಸಾಧನವನ್ನು ಫ್ಯಾಬ್ರಿಕೇಟ್ ಮಾಡುವುದು ಸವಾಲಿನ ವಿಷಯವಾಗಿತ್ತು ಎಂಬುದು ಐಎಪಿ ಪಿಎಚ್.ಡಿ. ಅಧ್ಯಯನಾರ್ಥಿ ಹಾಗೂ ಮುಖ್ಯ ಲೇಖಕರಲ್ಲಿ ಒಬ್ಬರಾದ ವಿನೋದ್ ಪನ್ವಾರ್ ಅವರ ಅಭಿಪ್ರಾಯ.

ಈ ಸೂಪರ್ ಕೆಪಾಸಿಟರ್ ಗಳು ಅತ್ಯಂತ ಚಿಕ್ಕದಾದರಿಂದ ಸೂಕ್ಷ್ಮದರ್ಶಕದ ಸಹಾಯವಿಲ್ಲದೇ ಅವನ್ನು ನೋಡಲು ಸಾಧ್ಯವಿಲ್ಲ. ಹೀಗಾಗಿ, ಫ್ಯಾಬ್ರಿಕೇಷನ್ ಪ್ರಕ್ರಿಯೆಯು ಅತ್ಯಧಿಕ ನಿಖರತೆ ಹಾಗೂ ಕೈ-ಕಣ್ಣುಗಳ ಸಮನ್ವಯತೆಯನ್ನು ಅಪೇಕ್ಷಿಸುತ್ತದೆ.

ಸೂಪರ್ ಕೆಪಾಸಿಟರ್ ಅನ್ನು ಫ್ಯಾಬ್ರಿಕೇಟ್ ಮಾಡಿದ ನಂತರ ತಜ್ಞರು ವಿವಿಧ ವೋಲ್ಟೇಜ್ ಗಳಲ್ಲಿ ಸಾಧನದ ವಿದ್ಯುತ್ ರಾಸಾಯನಿಕ ಧಾರಕತೆಯನ್ನು ಅಥವಾ ಅದರ ಚಾರ್ಜ್ ಹಿಡಿದಿಡುವ ಸಾಮರ್ಥ್ಯವನ್ನು ಮಾಪನ ಮಾಡಿದ್ದಾರೆ. ನಿರ್ದಿಷ್ಟ ಪರಿಸ್ಥಿತಿಗಳಲ್ಲಿ ಧಾರಕತೆಯು 3000% ಹೆಚ್ಚಾಗುವುದನ್ನು ಅವರು ದೃಢಪಡಿಸಿಕೊಂಡಿದ್ದಾರೆ.
ಇದಕ್ಕೆ ವ್ಯತಿರಿಕ್ತವಾಗಿ ಗ್ರಾಫಿನ್ ಇಲ್ಲದೆ ಕೇವಲ MoS2 ಇರುವ ಕೆಪ್ಯಾಸಿಟರ್ ನಲ್ಲಿ ಅಂತಹುದೇ ಪರಿಸ್ಥಿತಿಗಳಲ್ಲಿ ಧಾರಕತೆಯು ಬರೀ 18% ಮಾತ್ರ ಕಂಡುಬಂದಿದೆ.

ಮುಂಬರುವ ದಿನಗಳಲ್ಲಿ, MoS2 ಗೆ ಬದಲಾಗಿ ಇತರ ವಸ್ತುಗಳನ್ನು ಬಳಸಿ ಸೂಪರ್ ಕೆಪ್ಯಾಸಿಟರ್ ನ ಧಾರಕತೆಯನ್ನು ಇನ್ನಷ್ಟು ಹೆಚ್ಚಿಸಲು ಸಾಧ್ಯವೇ ಎಂಬುದನ್ನು ಶೋಧಿಸಬೇಕೆಂಬುದು ಸಂಶೋಧಕರ ಆಲೋಚನೆಯಾಗಿದೆ. ತಾವು ಅಭಿವೃದ್ಧಿಪಡಿಸಿರುವ ಸೂಪರ್ ಕೆಪ್ಯಾಸಿಟರ್ ಸಂಪೂರ್ಣ ಕಾರ್ಯಾಚರಣೆ ಸಾಮರ್ಥ್ಯದಿಂದ ಕೂಡಿದೆ. ಇದನ್ನು ಎಲೆಕ್ಟ್ರಿಕ್ ಕಾರಿನ ಬ್ಯಾಟರಿಗಳಂತಹ ಶಕ್ತಿ ಸಂಗ್ರಾಹಕ ಸಾಧನಗಳಲ್ಲಿ ಅಥವಾ ಆನ್- ಚಿಪ್ ಸಂಯೋಜನೆಯ ಯಾವುದೇ ಪುಟಾಣಿ ಗಾತ್ರಕ್ಕೆ ಅಡಕಗೊಳಿಸಿದ (ಮಿನಿಯೇಚರೈಸ್ಡ್) ವ್ಯವಸ್ಥೆಯಲ್ಲಿ ನಿಯೋಜಿಸಬಹುದು ಎಂಬುದು ತಜ್ಞರ ಅಭಿಪ್ರಾಯ. ಈ ಸೂಪರ್ ಕೆಪಾಸಿಟರ್ ಅಭಿವೃದ್ಧಿಗೆ ಸಂಬಂಧಿಸಿದಂತೆ ಪೇಟೆಂಟ್ ಗೆ ಅರ್ಜಿ ಸಲ್ಲಿಸುವ ಆಲೋಚನೆಯನ್ನೂ ಅವರು ಹೊಂದಿದ್ದಾರೆ.

ಉಲ್ಲೇಖ:
ಪನ್ವರ್ ವಿ, ಚೌಹಾನ್ ಪಿ ಎಸ್,, ತ್ರಿಪಾಟಿ ಆರ್, ಮಿಶ್ರಾ ಎ., Gate Field Induced
Extraordinary Energy Storage in MoS2-Graphene-Based Ultramicro-Electrochemical
Capacitor, ACS Energy Letters (2023)
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.2c02476

ಸಂಪರ್ಕ:
ಅಭಾ ಮಿಶ್ರಾ
ಇನ್ಸ್ಟ್ರುಮೆಂಟೇಶನ್ ಮತ್ತು ಅನ್ವಯಿಕ ಭೌತಶಾಸ್ತ್ರ ವಿಭಾಗ (ಐ ಏ ಪಿ)
ಭಾರತೀಯ ವಿಜ್ಞಾನ ಸಂಸ್ಥೆ (ಐ ಐ ಎಸ್ ಸಿ)
ಇಮೇಲ್:
ಫೋನ್: +91-80-2293 3198
ವೆಬ್ಸೈಟ್: http://iap.iisc.ac.in/~abha/

ಪರ್ತಕರ್ತರಿಗೆ ಸೂಚನೆ:

ಅ) ಈ ಪತ್ರಿಕಾ ಪ್ರಕಟಣೆಯನ್ನು ಅಥವಾ ಇದರ ಯಾವುದೇ ಭಾಗವನ್ನು ಯಥಾವತ್ತಾಗಿ ಸುದ್ದಿಯಾಗಿ ಪ್ರಕಟಿಸಿದರೆ ದಯವಿಟ್ಟು ಐ.ಐ.ಎಸ್.ಸಿ. ಹೆಸರಿನೊಂದಿಗೆ ಪ್ರಕಟಿಸಿ.

ಆ) ಐ.ಐ.ಎಸ್.ಸಿ. ಪತ್ರಿಕಾ ಪ್ರಕಟಣೆಗಳಿಗೆ ಸಂಬಂಧಿಸಿದಂತೆ ಏನಾದರೂ ಪ್ರಶ್ನೆಗಳಿದ್ದರೆ ದಯವಿಟ್ಟು news@iisc.ac.in ಅಥವಾ pro@iisc.ac.in ಗೆ ಬರೆಯಿರಿ.