சூப்பர்கெப்பாசிட்டர்களை உருவாக்குதல்: உலகளாவிய கண்டுபிடிப்பாளர்களுக்கான ஒரு விரிவான வழிகாட்டி

சூப்பர்கெப்பாசிட்டர்கள், அல்ட்ராகெப்பாசிட்டர்கள் அல்லது மின்வேதியியல் கெப்பாசிட்டர்கள் என்றும் அழைக்கப்படுகின்றன, இவை வழக்கமான கெப்பாசிட்டர்கள் மற்றும் பேட்டரிகளுக்கு இடையிலான இடைவெளியை நிரப்பும் ஆற்றல் சேமிப்பு சாதனங்கள் ஆகும். அவை விரைவான சார்ஜிங் மற்றும் டிஸ்சார்ஜிங் விகிதங்கள், அதிக சக்தி அடர்த்தி மற்றும் நீண்ட சுழற்சி ஆயுள் ஆகியவற்றை வழங்குகின்றன, இதனால் மின்சார வாகனங்கள் மற்றும் கையடக்க மின்னணுவியல் முதல் கிரிட் அளவிலான ஆற்றல் சேமிப்பு வரை பரந்த அளவிலான பயன்பாடுகளுக்கு கவர்ச்சிகரமானதாக அமைகின்றன. இந்த விரிவான வழிகாட்டி, சூப்பர்கெப்பாசிட்டர்களை உருவாக்குவதில் ஈடுபட்டுள்ள அடிப்படைக் கொள்கைகள், பொருட்கள், புனைதல் நுட்பங்கள் மற்றும் பண்பறிதல் முறைகளை ஆராய்கிறது, இது உலகெங்கிலும் உள்ள ஆராய்ச்சியாளர்கள், பொறியாளர்கள் மற்றும் ஆர்வலர்களுக்கு உதவுகிறது.

1. சூப்பர்கெப்பாசிட்டர் அடிப்படைகள்

திறமையான சூப்பர்கெப்பாசிட்டர் வடிவமைப்பு மற்றும் கட்டுமானத்திற்கு அடிப்படைக் கொள்கைகளைப் புரிந்துகொள்வது முக்கியம். சூப்பர்கெப்பாசிட்டர்கள் ஒரு மின்முனைப் பொருளுக்கும் ஒரு எலக்ட்ரோலைட்டிற்கும் இடையிலான இடைமுகத்தில் அயனிகளைக் குவித்து மின் நிலையியல் ரீதியாக ஆற்றலைச் சேமிக்கின்றன. இரசாயன எதிர்வினைகளை நம்பியிருக்கும் பேட்டரிகளைப் போலல்லாமல், சூப்பர்கெப்பாசிட்டர்கள் இயற்பியல் செயல்முறைகளை உள்ளடக்கியது, இது வேகமான சார்ஜ் மற்றும் டிஸ்சார்ஜ் சுழற்சிகளை செயல்படுத்துகிறது.

1.1. சூப்பர்கெப்பாசிட்டர்களின் வகைகள்

சூப்பர்கெப்பாசிட்டர்களில் மூன்று முக்கிய வகைகள் உள்ளன:

• மின்வேதியியல் இரட்டை-அடுக்கு மின்தேக்கிகள் (EDLCs): இவை மின்முனை-எலக்ட்ரோலைட் இடைமுகத்தில் அயனிகள் குவிந்து ஒரு மின் இரட்டை அடுக்கை உருவாக்குவதைப் பயன்படுத்துகின்றன. மின்தேக்குத்திறன் மின்முனைப் பொருளின் மேற்பரப்புப் பகுதிக்கு விகிதாசாரமாகவும், மின்முனைக்கும் எலக்ட்ரோலைட்டிற்கும் இடையிலான தூரத்திற்கு நேர்மாறாகவும் இருக்கும். செயல்படுத்தப்பட்ட கார்பன் மற்றும் கிராஃபீன் போன்ற உயர் மேற்பரப்புப் பகுதிகளைக் கொண்ட கார்பன் அடிப்படையிலான பொருட்கள் பொதுவாக EDLCகளில் மின்முனைகளாகப் பயன்படுத்தப்படுகின்றன.
• சூடோகெப்பாசிட்டர்கள்: இவை மின்முனை மேற்பரப்பில் ஃபாரடாயிக் ரெடாக்ஸ் எதிர்வினைகளைப் பயன்படுத்தி சார்ஜ் சேமிப்பை மேம்படுத்துகின்றன. உலோக ஆக்சைடுகள் (எ.கா., RuO₂, MnO₂) மற்றும் கடத்தும் பாலிமர்கள் (எ.கா., பாலியானிலின், பாலிபிரோல்) ஆகியவை சூடோகெப்பாசிட்டர்களில் மின்முனைப் பொருட்களாக அடிக்கடி பயன்படுத்தப்படுகின்றன. இந்த பொருட்கள் EDLCகளை விட அதிக ஆற்றல் அடர்த்தியை வழங்குகின்றன, ஆனால் பொதுவாக குறைந்த சக்தி அடர்த்தி மற்றும் சுழற்சி ஆயுளைக் கொண்டுள்ளன.
• கலப்பின மின்தேக்கிகள்: இவை EDLCகள் மற்றும் சூடோகெப்பாசிட்டர்களின் அம்சங்களை இணைத்து அதிக ஆற்றல் அடர்த்தி, அதிக சக்தி அடர்த்தி மற்றும் நீண்ட சுழற்சி ஆயுள் ஆகியவற்றுக்கு இடையே ஒரு சமநிலையை அடைகின்றன. உதாரணமாக, ஒரு கலப்பின மின்தேக்கி ஒரு மின்முனையாக கார்பன் அடிப்படையிலான பொருளையும் மற்றொன்றாக உலோக ஆக்சைடையும் பயன்படுத்தலாம்.

1.2. முக்கிய செயல்திறன் அளவுருக்கள்

பல முக்கிய அளவுருக்கள் ஒரு சூப்பர்கெப்பாசிட்டரின் செயல்திறனை வரையறுக்கின்றன:

• மின்தேக்குத்திறன் (C): மின் கட்டணத்தை சேமிக்கும் திறன், ஃபாரட்ஸில் (F) அளவிடப்படுகிறது. அதிக மின்தேக்குத்திறன் அதிக கட்டண சேமிப்புத் திறனைக் குறிக்கிறது.
• ஆற்றல் அடர்த்தி (E): ஒரு யூனிட் நிறை அல்லது தொகுதிக்கு சேமிக்கக்கூடிய ஆற்றலின் அளவு, பொதுவாக Wh/kg அல்லது Wh/L இல் அளவிடப்படுகிறது. ஆற்றல் அடர்த்தி மின்தேக்குத்திறன் மற்றும் மின்னழுத்தத்தின் வர்க்கத்திற்கு விகிதாசாரமாகும் (E = 0.5 * C * V²).
• சக்தி அடர்த்தி (P): ஆற்றலை வழங்கக்கூடிய விகிதம், பொதுவாக W/kg அல்லது W/L இல் அளவிடப்படுகிறது. சக்தி அடர்த்தி மின்தேக்குத்திறன் மற்றும் மின்னோட்டத்தின் வர்க்கத்திற்கு விகிதாசாரமாகும் (P = 0.5 * C * I²).
• சமமான தொடர் எதிர்ப்பு (ESR): சூப்பர்கெப்பாசிட்டரின் உள் எதிர்ப்பு, இது அதன் சக்தி அடர்த்தி மற்றும் சார்ஜ்/டிஸ்சார்ஜ் விகிதத்தை பாதிக்கிறது. குறைந்த ESR சிறந்த செயல்திறனை விளைவிக்கிறது.
• சுழற்சி ஆயுள்: ஒரு சூப்பர்கெப்பாசிட்டர் அதன் செயல்திறன் குறிப்பிடத்தக்க அளவில் சிதைவதற்கு முன்பு தாங்கக்கூடிய சார்ஜ்-டிஸ்சார்ஜ் சுழற்சிகளின் எண்ணிக்கை. சூப்பர்கெப்பாசிட்டர்கள் பொதுவாக லட்சக்கணக்கான சுழற்சிகள் வரை சுழற்சி ஆயுளைக் கொண்டுள்ளன.
• மின்னழுத்த சாளரம்: சூப்பர்கெப்பாசிட்டரின் இயக்க மின்னழுத்த வரம்பு. பரந்த மின்னழுத்த சாளரங்கள் அதிக ஆற்றல் சேமிப்பை அனுமதிக்கின்றன.

2. சூப்பர்கெப்பாசிட்டர் கட்டுமானத்திற்கான பொருட்கள்

பொருட்களின் தேர்வு ஒரு சூப்பர்கெப்பாசிட்டரின் செயல்திறனை கணிசமாக பாதிக்கிறது. ஒரு சூப்பர்கெப்பாசிட்டரின் முதன்மைக் கூறுகள் மின்முனைகள், எலக்ட்ரோலைட் மற்றும் பிரிப்பான் ஆகும்.

2.1. மின்முனைப் பொருட்கள்

மின்முனைப் பொருள் அதிக மேற்பரப்புப் பகுதி, நல்ல மின் கடத்துத்திறன் மற்றும் சிறந்த மின்வேதியியல் நிலைத்தன்மையைக் கொண்டிருக்க வேண்டும். பொதுவான மின்முனைப் பொருட்கள் பின்வருமாறு:

• செயல்படுத்தப்பட்ட கார்பன்: அதிக மேற்பரப்புப் பகுதியுடன் கூடிய செலவு குறைந்த மற்றும் பரவலாகப் பயன்படுத்தப்படும் பொருள். செயல்படுத்தப்பட்ட கார்பன் தேங்காய் ஓடுகள், மரம் மற்றும் நிலக்கரி போன்ற பல்வேறு மூலங்களிலிருந்து பெறப்படலாம். இது பொதுவாக EDLC களில் பயன்படுத்தப்படுகிறது. உலகெங்கிலும் வெவ்வேறு செயல்படுத்தும் முறைகள் பயன்படுத்தப்படுகின்றன, உதாரணமாக, அதன் செயல்திறனுக்காக ஆசியாவில் இரசாயன செயல்படுத்தல் பிரபலமாக உள்ளது, அதே நேரத்தில் சில ஐரோப்பிய நாடுகளில் சுற்றுச்சூழல் கருத்தில் கொண்டு இயற்பியல் செயல்படுத்தல் விரும்பப்படுகிறது.
• கிராஃபீன்: விதிவிலக்கான மின் கடத்துத்திறன் மற்றும் மேற்பரப்புப் பகுதியுடன் கூடிய இரு பரிமாண கார்பன் பொருள். கிராஃபீனை ஒரு தனி மின்முனைப் பொருளாகப் பயன்படுத்தலாம் அல்லது மற்ற பொருட்களின் செயல்திறனை மேம்படுத்த ஒரு சேர்க்கையாகப் பயன்படுத்தலாம். கிராஃபீன் அடிப்படையிலான சூப்பர்கெப்பாசிட்டர்கள் மீதான ஆராய்ச்சி வட அமெரிக்கா மற்றும் ஐரோப்பா முழுவதும் உள்ள பல்கலைக்கழகங்களில் தீவிரமாக நடத்தப்படுகிறது.
• கார்பன் நானோகுழாய்கள் (CNTs): அதிக விகித விகிதம் மற்றும் சிறந்த மின் கடத்துத்திறன் கொண்ட ஒரு பரிமாண கார்பன் பொருட்கள். CNTகளை ஒற்றைச் சுவர் CNTகள் (SWCNTs) மற்றும் பல சுவர் CNTகள் (MWCNTs) போன்ற பல்வேறு வடிவங்களில் பயன்படுத்தலாம்.
• உலோக ஆக்சைடுகள்: RuO₂, MnO₂, மற்றும் NiO போன்ற மாற்றம் உலோக ஆக்சைடுகள் சூடோகெப்பாசிட்டிவ் நடத்தையை வெளிப்படுத்துகின்றன மற்றும் கார்பன் அடிப்படையிலான பொருட்களை விட அதிக ஆற்றல் அடர்த்தியை வழங்குகின்றன. இருப்பினும், அவற்றின் மின் கடத்துத்திறன் பொதுவாக குறைவாக இருக்கும். RuO₂, சிறந்த செயல்திறனை வழங்கினாலும், அதன் அதிக விலை காரணமாக அடிக்கடி தவிர்க்கப்படுகிறது. MnO₂ மற்றும் NiO ஆகியவை அதிக செலவு குறைந்தவை என்பதால் பொதுவாகப் பயன்படுத்தப்படுகின்றன.
• கடத்தும் பாலிமர்கள்: பாலியானிலின் (PANI), பாலிபிரோல் (PPy), மற்றும் பாலியோதியோபீன் (PTh) போன்ற பாலிமர்கள் ரெடாக்ஸ் செயல்பாட்டை வெளிப்படுத்துகின்றன மற்றும் சூடோகெப்பாசிட்டர்களில் மின்முனைப் பொருட்களாகப் பயன்படுத்தப்படலாம். அவை நெகிழ்வுத்தன்மை மற்றும் தொகுப்பின் எளிமையை வழங்குகின்றன, ஆனால் பொதுவாக உலோக ஆக்சைடுகளுடன் ஒப்பிடும்போது குறைந்த மின் கடத்துத்திறன் மற்றும் சுழற்சி ஆயுளைக் கொண்டுள்ளன.

2.2. எலக்ட்ரோலைட்டுகள்

எலக்ட்ரோலைட் சூப்பர்கெப்பாசிட்டருக்குள் சார்ஜ் போக்குவரத்திற்கு தேவையான அயனி கடத்துத்திறனை வழங்குகிறது. எலக்ட்ரோலைட்டின் தேர்வு விரும்பிய இயக்க மின்னழுத்தம், வெப்பநிலை வரம்பு மற்றும் பாதுகாப்பு தேவைகளைப் பொறுத்தது. பொதுவான எலக்ட்ரோலைட்டுகள் பின்வருமாறு:

• நீர்சார்ந்த எலக்ட்ரோலைட்டுகள்: இவை அதிக அயனி கடத்துத்திறனை வழங்குகின்றன மற்றும் செலவு குறைந்தவை. பொதுவான நீர்சார்ந்த எலக்ட்ரோலைட்டுகளில் சல்பூரிக் அமிலம் (H₂SO₄), பொட்டாசியம் ஹைட்ராக்சைடு (KOH), மற்றும் சோடியம் ஹைட்ராக்சைடு (NaOH) ஆகியவை அடங்கும். இருப்பினும், நீர் மின்னாற்பகுப்பு காரணமாக நீர்சார்ந்த எலக்ட்ரோலைட்டுகள் ஒரு வரையறுக்கப்பட்ட மின்னழுத்த சாளரத்தைக் கொண்டுள்ளன (பொதுவாக < 1.2 V).
• கரிம எலக்ட்ரோலைட்டுகள்: இவை நீர்சார்ந்த எலக்ட்ரோலைட்டுகளுடன் ஒப்பிடும்போது ஒரு பரந்த மின்னழுத்த சாளரத்தை (2.7 V வரை) வழங்குகின்றன, இது அதிக ஆற்றல் அடர்த்தியை அனுமதிக்கிறது. பொதுவான கரிம எலக்ட்ரோலைட்டுகளில் டெட்ராஎதிலமோனியம் டெட்ராஃபுளோரோபோரேட் (TEABF₄) போன்ற கரைந்த உப்புகளுடன் அசிட்டோநைட்ரைல் (ACN) மற்றும் புரோபிலீன் கார்பனேட் (PC) ஆகியவை அடங்கும். கரிம எலக்ட்ரோலைட்டுகள் பொதுவாக அதிக விலை கொண்டவை மற்றும் நீர்சார்ந்த எலக்ட்ரோலைட்டுகளை விட குறைந்த அயனி கடத்துத்திறனைக் கொண்டுள்ளன.
• அயனி திரவ எலக்ட்ரோலைட்டுகள்: இவை ஒரு பரந்த மின்னழுத்த சாளரத்தையும் (4 V வரை) மற்றும் சிறந்த வெப்ப நிலைத்தன்மையையும் வழங்குகின்றன. அயனி திரவங்கள் அறை வெப்பநிலையில் திரவமாக இருக்கும் உப்புகள் ஆகும். அவை பொதுவாக நீர்சார்ந்த மற்றும் கரிம எலக்ட்ரோலைட்டுகளை விட விலை உயர்ந்தவை மற்றும் அதிக பாகுத்தன்மை கொண்டவை.
• திட-நிலை எலக்ட்ரோலைட்டுகள்: இவை திரவ எலக்ட்ரோலைட்டுகளுடன் ஒப்பிடும்போது மேம்பட்ட பாதுகாப்பு மற்றும் நெகிழ்வுத்தன்மையை வழங்குகின்றன. திட-நிலை எலக்ட்ரோலைட்டுகள் பாலிமர்கள், மட்பாண்டங்கள் அல்லது கலவைகளாக இருக்கலாம். அவை இன்னும் வளர்ச்சியில் உள்ளன, ஆனால் எதிர்கால சூப்பர்கெப்பாசிட்டர் பயன்பாடுகளுக்கு உறுதியளிக்கின்றன.

2.3. பிரிப்பான்கள்

பிரிப்பான் மின்முனைகளுக்கு இடையே நேரடித் தொடர்பைத் தடுக்கிறது, ஷார்ட் சர்க்யூட்களைத் தடுக்கும் அதே வேளையில் அயனி போக்குவரத்தை அனுமதிக்கிறது. பிரிப்பான் அதிக அயனி கடத்துத்திறன், நல்ல இரசாயன நிலைத்தன்மை மற்றும் போதுமான இயந்திர வலிமையைக் கொண்டிருக்க வேண்டும். பொதுவான பிரிப்பான் பொருட்கள் பின்வருமாறு:

• செல்லுலோஸ் அடிப்படையிலான பிரிப்பான்கள்: இவை செலவு குறைந்தவை மற்றும் எளிதில் கிடைக்கக்கூடியவை.
• பாலிஓலிஃபின் பிரிப்பான்கள்: இவை நல்ல இரசாயன நிலைத்தன்மை மற்றும் இயந்திர வலிமையை வழங்குகின்றன. எடுத்துக்காட்டுகளில் பாலிஎதிலீன் (PE) மற்றும் பாலிப்ரோப்பிலீன் (PP) ஆகியவை அடங்கும்.
• நெய்யப்படாத துணிகள்: இவை நல்ல எலக்ட்ரோலைட் தக்கவைப்பு மற்றும் இயந்திர வலிமையை வழங்குகின்றன.

3. சூப்பர்கெப்பாசிட்டர் புனைதல் நுட்பங்கள்

புனைதல் செயல்பாட்டில் மின்முனை தயாரிப்பு, எலக்ட்ரோலைட் தயாரிப்பு, செல் அசெம்பிளி மற்றும் பேக்கேஜிங் உள்ளிட்ட பல படிகள் அடங்கும்.

3.1. மின்முனை தயாரிப்பு

மின்முனை தயாரிப்பு பொதுவாக மின்முனைப் பொருளை ஒரு பைண்டர் (எ.கா., பாலிவினைலிடீன் புளோரைடு, PVDF) மற்றும் ஒரு கடத்தும் சேர்க்கை (எ.கா., கார்பன் பிளாக்) ஆகியவற்றுடன் ஒரு கரைப்பானில் கலப்பதை உள்ளடக்கியது. இதன் விளைவாக வரும் குழம்பு பின்னர் ஒரு தற்போதைய சேகரிப்பான் மீது (எ.கா., அலுமினியத் தகடு, துருப்பிடிக்காத எஃகு) பூசப்படுகிறது, பின்வரும் நுட்பங்களைப் பயன்படுத்தி:

• டாக்டர் பிளேடிங்: மெல்லிய படங்களைப் பூசுவதற்கான ஒரு எளிய மற்றும் பரவலாகப் பயன்படுத்தப்படும் நுட்பம்.
• ஸ்ப்ரே கோட்டிங்: சிக்கலான வடிவங்களைப் பூசுவதற்கான ஒரு பல்துறை நுட்பம்.
• ஸ்கிரீன் பிரிண்டிங்: வடிவமைக்கப்பட்ட மின்முனைகளின் அதிக செயல்திறன் கொண்ட பூச்சுக்கான ஒரு நுட்பம்.
• எலக்ட்ரோபோரெடிக் படிவு (EPD): ஒரு அடி மூலக்கூறில் சார்ஜ் செய்யப்பட்ட துகள்களைப் படிப்பதற்கான ஒரு நுட்பம்.
• 3D பிரிண்டிங்: சிக்கலான மின்முனை கட்டமைப்புகளை உருவாக்குவதற்கான ஒரு வளர்ந்து வரும் நுட்பம்.

பூச்சுக்குப் பிறகு, மின்முனைகள் பொதுவாக அவற்றின் இயந்திர வலிமை மற்றும் மின் கடத்துத்திறனை மேம்படுத்த உலர்த்தப்பட்டு அழுத்தப்படுகின்றன.

3.2. எலக்ட்ரோலைட் தயாரிப்பு

எலக்ட்ரோலைட் தயாரிப்பு தேர்ந்தெடுக்கப்பட்ட கரைப்பானில் பொருத்தமான உப்பைக் கரைப்பதை உள்ளடக்கியது. உப்பின் செறிவு பொதுவாக அயனி கடத்துத்திறனை அதிகரிக்க உகந்ததாக இருக்கும். நீர்சார்ந்த எலக்ட்ரோலைட்டுகளுக்கு, உப்பு வெறுமனே தண்ணீரில் கரைக்கப்படுகிறது. கரிம எலக்ட்ரோலைட்டுகள் மற்றும் அயனி திரவங்களுக்கு, உப்பு முழுமையாகக் கரைய வெப்பம் அல்லது கிளறல் தேவைப்படலாம்.

3.3. செல் அசெம்பிளி

செல் அசெம்பிளி என்பது மின்முனைகள் மற்றும் பிரிப்பானை விரும்பிய உள்ளமைவில் அடுக்குவதை உள்ளடக்கியது. இரண்டு முக்கிய வகை சூப்பர்கெப்பாசிட்டர் செல் உள்ளமைவுகள் உள்ளன:

• இரண்டு-மின்முனை செல்கள்: இவை ஒரு பிரிப்பானால் பிரிக்கப்பட்ட இரண்டு மின்முனைகளைக் கொண்டிருக்கும். மின்முனைகள் பொதுவாக பொருள் மற்றும் நிறை அடிப்படையில் ஒரே மாதிரியானவை.
• மூன்று-மின்முனை செல்கள்: இவை ஒரு வேலை செய்யும் மின்முனை, ஒரு எதிர் மின்முனை மற்றும் ஒரு குறிப்பு மின்முனை ஆகியவற்றைக் கொண்டிருக்கும். மூன்று-மின்முனை உள்ளமைவு வேலை செய்யும் மின்முனையின் மின்வேதியியல் நடத்தையை மிகவும் துல்லியமாக அளவிட அனுமதிக்கிறது. இது ஆராய்ச்சி மற்றும் மேம்பாட்டிற்கான ஒரு நிலையான அமைப்பாகும், ஆனால் வணிக சாதனங்களில் குறைவாகவே காணப்படுகிறது.

கூறுகளுக்கு இடையில் நல்ல தொடர்பை உறுதி செய்வதற்காக மின்முனைகள் மற்றும் பிரிப்பான் பொதுவாக சுருக்கப்படுகின்றன. பின்னர் செல் வெற்றிடத்தின் கீழ் எலக்ட்ரோலைட்டால் நிரப்பப்படுகிறது, இது மின்முனைகள் மற்றும் பிரிப்பானின் முழுமையான ஈரப்பதத்தை உறுதி செய்கிறது.

3.4. பேக்கேஜிங்

கூட்டப்பட்ட சூப்பர்கெப்பாசிட்டர் செல் பின்னர் சுற்றுச்சூழலிலிருந்து பாதுகாக்க மற்றும் மின் இணைப்புகளை வழங்க பேக்கேஜ் செய்யப்படுகிறது. பொதுவான பேக்கேஜிங் பொருட்களில் அலுமினிய கேன்கள், பிளாஸ்டிக் பைகள் மற்றும் உலோக உறைகள் ஆகியவை அடங்கும். பேக்கேஜிங் இரசாயன ரீதியாக மந்தமாகவும், ஈரப்பதம் மற்றும் காற்றுக்கு ஊடுருவ முடியாததாகவும் இருக்க வேண்டும்.

4. சூப்பர்கெப்பாசிட்டர் பண்பறிதல்

புனையப்பட்ட சூப்பர்கெப்பாசிட்டர்களின் செயல்திறனை மதிப்பிடுவதற்கு பண்பறிதல் நுட்பங்கள் பயன்படுத்தப்படுகின்றன. பொதுவான பண்பறிதல் நுட்பங்கள் பின்வருமாறு:

• சுழற்சி வோல்டாமெட்ரி (CV): மின்னழுத்தத்தின் செயல்பாடாக சூப்பர்கெப்பாசிட்டரின் தற்போதைய பதிலை அளவிடுவதற்கான ஒரு நுட்பம். CV வளைவுகள் மின்தேக்குத்திறன், மின்னழுத்த சாளரம் மற்றும் மின்முனைகளின் ரெடாக்ஸ் நடத்தையை தீர்மானிக்கப் பயன்படுத்தப்படலாம். ஒரு செவ்வக வடிவம் பொதுவாக சிறந்த EDLC நடத்தையைக் குறிக்கிறது, அதே நேரத்தில் ரெடாக்ஸ் உச்சங்கள் சூடோகெப்பாசிட்டிவ் நடத்தையைக் குறிக்கின்றன.
• கால்வனோஸ்டேடிக் சார்ஜ்-டிஸ்சார்ஜ் (GCD): நிலையான மின்னோட்ட சார்ஜ் மற்றும் டிஸ்சார்ஜ் போது சூப்பர்கெப்பாசிட்டரின் மின்னழுத்த பதிலை அளவிடுவதற்கான ஒரு நுட்பம். GCD வளைவுகள் மின்தேக்குத்திறன், ஆற்றல் அடர்த்தி, சக்தி அடர்த்தி மற்றும் ESR ஐ தீர்மானிக்கப் பயன்படுத்தப்படலாம். நேரியல் சார்ஜ்-டிஸ்சார்ஜ் சரிவுகள் நல்ல மின்தேக்க நடத்தையின் அறிகுறியாகும்.
• மின்வேதியியல் மின்மறுப்பு நிறமாலையியல் (EIS): அதிர்வெண்ணின் செயல்பாடாக சூப்பர்கெப்பாசிட்டரின் மின்மறுப்பை அளவிடுவதற்கான ஒரு நுட்பம். EIS தரவு ESR, மின்தேக்குத்திறன் மற்றும் அயனி கடத்துத்திறனை தீர்மானிக்கப் பயன்படுத்தப்படலாம். நைக்விஸ்ட் வரைபடங்களாக அடிக்கடி காட்டப்படும் EIS வரைபடங்கள், சூப்பர்கெப்பாசிட்டருக்குள் உள்ள வெவ்வேறு எதிர்ப்பு மற்றும் மின்தேக்க கூறுகள் பற்றிய தகவல்களை வழங்குகின்றன.
• ஸ்கேனிங் எலக்ட்ரான் மைக்ரோஸ்கோபி (SEM): மின்முனைப் பொருட்களின் உருவமைப்பை ஆய்வு செய்யப் பயன்படுகிறது.
• டிரான்ஸ்மிஷன் எலக்ட்ரான் மைக்ரோஸ்கோபி (TEM): SEM ஐ விட உயர் தெளிவுத்திறன் கொண்ட படங்களை வழங்குகிறது, கிராஃபீன் மற்றும் கார்பன் நானோகுழாய்கள் போன்ற நானோ பொருட்களை வகைப்படுத்த பயனுள்ளதாக இருக்கும்.

5. மேம்பட்ட சூப்பர்கெப்பாசிட்டர் தொழில்நுட்பங்கள்

தற்போதைய ஆராய்ச்சி மற்றும் மேம்பாட்டு முயற்சிகள் சூப்பர்கெப்பாசிட்டர்களின் செயல்திறன், செலவு மற்றும் பாதுகாப்பை மேம்படுத்துவதில் கவனம் செலுத்துகின்றன. சில மேம்பட்ட தொழில்நுட்பங்கள் பின்வருமாறு:

• 3D சூப்பர்கெப்பாசிட்டர்கள்: இவை மேற்பரப்புப் பகுதி மற்றும் ஆற்றல் அடர்த்தியை அதிகரிக்க முப்பரிமாண மின்முனை கட்டமைப்புகளைப் பயன்படுத்துகின்றன. 3D பிரிண்டிங் மற்றும் பிற மேம்பட்ட உற்பத்தி நுட்பங்கள் 3D சூப்பர்கெப்பாசிட்டர்களைப் புனையப் பயன்படுத்தப்படுகின்றன.
• நெகிழ்வான சூப்பர்கெப்பாசிட்டர்கள்: இவை நெகிழ்வானதாகவும் வளைக்கக்கூடியதாகவும் வடிவமைக்கப்பட்டுள்ளன, அவை அணியக்கூடிய மின்னணுவியல் மற்றும் பிற பயன்பாடுகளுக்கு ஏற்றதாக அமைகின்றன. நெகிழ்வான சூப்பர்கெப்பாசிட்டர்களை நெகிழ்வான அடி மூலக்கூறுகள் மற்றும் மின்முனைப் பொருட்களைப் பயன்படுத்தி புனையலாம்.
• மைக்ரோ-சூப்பர்கெப்பாசிட்டர்கள்: இவை நுண்மின்னணு சாதனங்களுடன் ஆன்-சிப் ஒருங்கிணைப்புக்காக வடிவமைக்கப்பட்ட சிறிய சூப்பர்கெப்பாசிட்டர்கள் ஆகும். மைக்ரோ-சூப்பர்கெப்பாசிட்டர்களை மைக்ரோபேப்ரிகேஷன் நுட்பங்களைப் பயன்படுத்தி புனையலாம்.
• சுய-சிகிச்சை சூப்பர்கெப்பாசிட்டர்கள்: இவை இயந்திர அழுத்தம் அல்லது மின்சார அதிக சுமைகளால் ஏற்படும் சேதத்தை சரிசெய்யக்கூடிய பொருட்களை உள்ளடக்கியுள்ளன. சுய-சிகிச்சை சூப்பர்கெப்பாசிட்டர்கள் இந்த சாதனங்களின் ஆயுட்காலத்தை நீட்டிக்கவும் நம்பகத்தன்மையை மேம்படுத்தவும் முடியும்.

6. சூப்பர்கெப்பாசிட்டர்களின் பயன்பாடுகள்

சூப்பர்கெப்பாசிட்டர்கள் பரந்த அளவிலான பயன்பாடுகளில் பயன்படுத்தப்படுகின்றன, அவற்றுள்:

• மின்சார வாகனங்கள் (EVs) மற்றும் கலப்பின மின்சார வாகனங்கள் (HEVs): சூப்பர்கெப்பாசிட்டர்கள் முடுக்கம் மற்றும் மீளுருவாக்க பிரேக்கிங்கிற்குத் தேவையான வெடிப்பு சக்தியை வழங்க முடியும். அவை பெரும்பாலும் பேட்டரிகளுடன் இணைந்து EVs மற்றும் HEV களின் ஒட்டுமொத்த செயல்திறனை மேம்படுத்தப் பயன்படுத்தப்படுகின்றன. உதாரணமாக, சீனாவில் சில மின்சார பேருந்துகளில், மீளுருவாக்க பிரேக்கிங்கிற்கு சூப்பர்கெப்பாசிட்டர்கள் பயன்படுத்தப்படுகின்றன, இது எரிபொருள் செயல்திறனை கணிசமாக மேம்படுத்துகிறது.
• கையடக்க மின்னணுவியல்: சூப்பர்கெப்பாசிட்டர்கள் ஸ்மார்ட்போன்கள், மடிக்கணினிகள் மற்றும் பிற கையடக்க சாதனங்களுக்கு காப்பு சக்தியை வழங்க முடியும். அவை ஒளிரும் விளக்குகள், டிஜிட்டல் கேமராக்கள் மற்றும் பிற நுகர்வோர் மின்னணுவியலின் செயல்திறனை மேம்படுத்தவும் பயன்படுத்தப்படலாம்.
• கிரிட்-அளவிலான ஆற்றல் சேமிப்பு: சூப்பர்கெப்பாசிட்டர்கள் மின்சார கிரிட்டை நிலைப்படுத்தவும், சூரிய மற்றும் காற்றாலை போன்ற புதுப்பிக்கத்தக்க மூலங்களிலிருந்து ஆற்றலைச் சேமிக்கவும் பயன்படுத்தப்படலாம். அவை வழங்கல் மற்றும் தேவையில் ஏற்படும் ஏற்ற இறக்கங்களுக்கு விரைவான பதிலை வழங்க முடியும், இது கிரிட்டின் நம்பகத்தன்மையை மேம்படுத்துகிறது. ஜப்பானின் சில பகுதிகளில், கிரிட் நிலைப்படுத்தலுக்காக சூப்பர்கெப்பாசிட்டர்கள் சோதிக்கப்படுகின்றன.
• தொழில்துறை உபகரணங்கள்: ஃபோர்க்லிஃப்ட்ஸ், கிரேன்கள் மற்றும் பிற தொழில்துறை உபகரணங்களுக்கு சக்தி அளிக்க சூப்பர்கெப்பாசிட்டர்கள் பயன்படுத்தப்படலாம். அவை கனமான சுமைகளைத் தூக்குவதற்கும் நகர்த்துவதற்கும் தேவையான அதிக சக்தியை வழங்க முடியும், மேலும் அவை பிரேக்கிங்கின் போது ஆற்றலைப் பிடிக்கவும் முடியும்.
• காப்பு சக்தி அமைப்புகள்: மருத்துவமனைகள், தரவு மையங்கள் மற்றும் தொலைத்தொடர்பு உபகரணங்கள் போன்ற முக்கியமான அமைப்புகளுக்கு சூப்பர்கெப்பாசிட்டர்கள் காப்பு சக்தியை வழங்க முடியும். மின்வெட்டு ஏற்பட்டால் அவை நம்பகமான சக்தி மூலத்தை வழங்க முடியும்.

7. பாதுகாப்பு பரிசீலனைகள்

சூப்பர்கெப்பாசிட்டர்கள் பொதுவாக பேட்டரிகளை விட பாதுகாப்பானவை என்றாலும், அவற்றை உருவாக்கும் மற்றும் பயன்படுத்தும் போது பாதுகாப்பு முன்னெச்சரிக்கை நடவடிக்கைகளைப் பின்பற்றுவது அவசியம்:

• எலக்ட்ரோலைட் கையாளுதல்: எலக்ட்ரோலைட்டுகளை எப்போதும் கவனமாகக் கையாளவும், ஏனெனில் அவை அரிக்கும் அல்லது எரியக்கூடியதாக இருக்கலாம். கையுறைகள், கண்ணாடிகள் மற்றும் ஆய்வக கோட்டுகள் போன்ற பொருத்தமான தனிப்பட்ட பாதுகாப்பு உபகரணங்களை (PPE) அணியுங்கள்.
• மின்னழுத்த வரம்புகள்: சூப்பர்கெப்பாசிட்டரின் குறிப்பிட்ட மின்னழுத்த வரம்புகளை மீற வேண்டாம், ஏனெனில் இது சேதம் அல்லது தோல்விக்கு வழிவகுக்கும்.
• ஷார்ட் சர்க்யூட்கள்: சூப்பர்கெப்பாசிட்டரை ஷார்ட்-சர்க்யூட் செய்வதைத் தவிர்க்கவும், ஏனெனில் இது அதிகப்படியான வெப்பத்தை உருவாக்கி தீயை ஏற்படுத்தக்கூடும்.
• வெப்பநிலை வரம்புகள்: சூப்பர்கெப்பாசிட்டரை அதன் குறிப்பிட்ட வெப்பநிலை வரம்பிற்குள் இயக்கவும். அதிக வெப்பநிலை சாதனத்தின் செயல்திறன் மற்றும் ஆயுட்காலத்தை சிதைக்கும்.
• சரியான அகற்றல்: உள்ளூர் விதிமுறைகளைப் பின்பற்றி, சூப்பர்கெப்பாசிட்டர்களை முறையாக அப்புறப்படுத்துங்கள். அவற்றை எரிக்கவோ அல்லது துளைக்கவோ வேண்டாம், ஏனெனில் இது அபாயகரமான பொருட்களை வெளியிடக்கூடும்.

8. எதிர்காலப் போக்குகள்

சூப்பர்கெப்பாசிட்டர்களின் எதிர்காலம் பிரகாசமாக உள்ளது, தற்போதைய ஆராய்ச்சி மற்றும் மேம்பாட்டு முயற்சிகள் அவற்றின் செயல்திறன், செலவு மற்றும் பாதுகாப்பை மேம்படுத்துவதில் கவனம் செலுத்துகின்றன. சில முக்கிய போக்குகள் பின்வருமாறு:

• அதிக மேற்பரப்புப் பகுதி மற்றும் சிறந்த மின் கடத்துத்திறன் கொண்ட புதிய மின்முனைப் பொருட்களின் வளர்ச்சி. ஆராய்ச்சியாளர்கள் MXenes, கோவலன்ட் ஆர்கானிக் ஃபிரேம்வொர்க்ஸ் (COFs), மற்றும் மெட்டல்-ஆர்கானிக் ஃபிரேம்வொர்க்ஸ் (MOFs) போன்ற புதிய பொருட்களை சூப்பர்கெப்பாசிட்டர் பயன்பாடுகளுக்காக ஆராய்ந்து வருகின்றனர்.
• பரந்த மின்னழுத்த சாளரங்கள் மற்றும் மேம்பட்ட அயனி கடத்துத்திறன் கொண்ட புதிய எலக்ட்ரோலைட்டுகளின் வளர்ச்சி. மேம்பட்ட பாதுகாப்பு மற்றும் நெகிழ்வுத்தன்மையை வழங்கும் திட-நிலை எலக்ட்ரோலைட்டுகளை உருவாக்குவதில் ஆராய்ச்சி கவனம் செலுத்துகிறது.
• 3D பிரிண்டிங் மற்றும் ரோல்-டு-ரோல் செயலாக்கம் போன்ற மேம்பட்ட புனைதல் நுட்பங்களின் வளர்ச்சி. இந்த நுட்பங்கள் உயர் செயல்திறன் கொண்ட சூப்பர்கெப்பாசிட்டர்களின் செலவு குறைந்த உற்பத்தியை செயல்படுத்த முடியும்.
• பேட்டரிகள் மற்றும் எரிபொருள் செல்கள் போன்ற பிற ஆற்றல் சேமிப்பு சாதனங்களுடன் சூப்பர்கெப்பாசிட்டர்களின் ஒருங்கிணைப்பு. கலப்பின ஆற்றல் சேமிப்பு அமைப்புகள் பல்வேறு பயன்பாடுகளின் குறிப்பிட்ட தேவைகளைப் பூர்த்தி செய்ய வெவ்வேறு தொழில்நுட்பங்களின் நன்மைகளை இணைக்க முடியும்.

9. முடிவுரை

சூப்பர்கெப்பாசிட்டர்களை உருவாக்குவது என்பது பொருள் அறிவியல், மின்வேதியியல் மற்றும் பொறியியல் ஆகியவற்றை இணைக்கும் ஒரு பல்துறைத் துறையாகும். அடிப்படைக் கொள்கைகள், பொருட்கள், புனைதல் நுட்பங்கள் மற்றும் பண்பறிதல் முறைகளைப் புரிந்துகொள்வதன் மூலம், ஆராய்ச்சியாளர்கள், பொறியாளர்கள் மற்றும் ஆர்வலர்கள் பரந்த அளவிலான பயன்பாடுகளுக்கான உயர் செயல்திறன் கொண்ட சூப்பர்கெப்பாசிட்டர்களின் வளர்ச்சிக்கு பங்களிக்க முடியும். தொழில்நுட்பம் தொடர்ந்து முன்னேறும்போது, சூப்பர்கெப்பாசிட்டர்கள் உலகளவில் ஆற்றல் சேமிப்பு மற்றும் நிலையான ஆற்றல் தீர்வுகளில் பெருகிய முறையில் முக்கிய பங்கு வகிக்கத் தயாராக உள்ளன. இந்த வழிகாட்டி, இந்த அற்புதமான துறையில் புதுமைகளை உருவாக்க விரும்பும் உலகெங்கிலும் உள்ள தனிநபர்களுக்கு ஒரு அடிப்படை புரிதலை வழங்குகிறது.

மேலும் வளங்கள்

• அறிவியல் இதழ்கள்: Journal of Power Sources, Electrochimica Acta, ACS Applied Materials & Interfaces
• மாநாடுகள்: International Meeting on Chemical Sensors (IMCS), Electrochemical Society (ECS) Meetings
• ஆன்லைன் படிப்புகள்: Coursera மற்றும் edX போன்ற தளங்கள் பெரும்பாலும் மின்வேதியியல் மற்றும் ஆற்றல் சேமிப்பு குறித்த படிப்புகளை வழங்குகின்றன.