Capacitors بنیادی طور پر اسٹوریج ڈیوائسز کو چارج کرتے ہیں، لیکن بیٹریوں کے مقابلے میں، ان میں چارج کو ذخیرہ کرنے کی صلاحیت کافی کم ہوتی ہے۔ تاہم، ان کی زندگی کا دورانیہ بیٹریوں سے کہیں زیادہ ہے، کیپسیٹرز کے کام کرنے کا بنیادی اصول یکساں ہے حالانکہ وہ ان کی اندرونی ساخت کی بنیاد پر مختلف زمروں میں تقسیم ہیں۔ گرافین کیپسیٹر ایک قسم کا سپر کیپیسیٹر ہے جس میں گرافین کی پرتیں ہوتی ہیں جو الیکٹرانوں کی بہت زیادہ آزاد حرکت فراہم کرتی ہیں اور مؤثر طریقے سے گرمی کی کھپت کی اجازت دیتی ہیں۔
خاکہ:
- سپر کیپسیٹرز کیا ہیں؟
- سپر کیپیسیٹرز کا کام کرنا
- گرافین سپر کیپسیٹر
- سپر کیپیسیٹرز میں گرافین پر مبنی الیکٹروڈ
- گرافین پر مبنی سپر کیپیسیٹرز کی کارکردگی
- نتیجہ
سپر کیپسیٹرز کیا ہیں؟
گرافین کیپیسیٹر کو سمجھنے کے لیے سپر کیپسیٹرز کے بارے میں علم ہونا ضروری ہے کیونکہ گرافین کپیسیٹر بھی سپر کیپسیٹرز کے زمرے میں آتا ہے۔ عام کیپسیٹرز کے برعکس، رات کے کھانے والے کیپسیٹرز کی اندرونی ساخت مختلف ہوتی ہے، جو ان کی خصوصیات کو بھی متاثر کرتی ہے۔ سپر کیپیسیٹر میں الیکٹرولائٹس ہوتے ہیں جو ایک موصلیت کے ذریعہ الگ ہوتے ہیں اور ان میں کاربن الیکٹروڈ فعال ہوتے ہیں جو الیکٹرولائٹ کے ساتھ رابطے میں ہوتے ہیں۔ الیکٹرولائٹ بنیادی طور پر سلفورک ایسڈ یا پوٹاشیم آکسائڈ ہے، اور الگ کرنے والا عام طور پر کپٹن ہے:
سپر کیپیسیٹرز کا کام کرنا
جب ایک سپر کیپیسیٹر کسی پاور سورس سے منسلک نہیں ہوتا ہے تو چارجز قطع نظر اس کی قطبیت کے الیکٹرولائٹ میں بکھر جاتے ہیں، جب پاور سورس اس کے پار جڑ جاتا ہے تو کیپسیٹر سے کرنٹ بہنا شروع ہوجاتا ہے، اور جیسے ہی انوڈ کو مثبت چارج ملتا ہے۔ الیکٹرولائٹ میں منفی آئن انوڈ الیکٹروڈ کی طرف بڑھتے ہیں۔ جبکہ کیتھوڈ منفی طور پر چارج ہو جاتا ہے اور تمام مثبت آئن کیتھوڈ کی طرف بڑھتے ہیں:
الیکٹروڈ اور الیکٹرولائٹ کے درمیان کشش کی یہ قوت الیکٹرو اسٹیٹک فورس ہے اور آئنوں کی یہ کشش الیکٹروڈ کی طرف دہری پرت کی تشکیل کا سبب بنتی ہے۔ یہ تہہ چارجز کو ذخیرہ کرنے کی ذمہ دار ہے اور اس تہہ کی تشکیل کی وجہ سے سپر کیپسیٹرز کو الیکٹریکل ڈبل لیئر کیپسیٹرز کا نام بھی دیا گیا ہے۔
اس طرح سپر کیپیسیٹر کو چارج کیا جاتا ہے اور جب کوئی بوجھ سپر کیپیسیٹر کے ٹرمینلز سے منسلک ہوتا ہے تو الیکٹروڈز پر چارج لوڈ سے بہنا شروع ہوتا ہے۔ اس طرح دونوں الیکٹروڈ چارج کھونے لگتے ہیں کیونکہ وہ چارجز کو اپنی طرف متوجہ کرنے سے قاصر ہوتے ہیں اور نتیجتاً جب تمام چارجز الیکٹروڈز سے نکل جاتے ہیں تو کپیسیٹر ڈسچارج ہوجاتا ہے۔
لہذا اب آئن دوبارہ الیکٹرولائٹس میں بکھرے ہوئے ہیں، اور اس طرح ایک سادہ سپر کیپیسیٹر کام کرتا ہے۔
گرافین سپر کیپسیٹر
گرافین گریفائٹ سے آتا ہے جو زیادہ تر پنسلوں کے اندر ہوتا ہے اور کاربن کا ایک الیکٹروڈ ہے جس میں ایٹموں کی ایک ہی تعداد ہوتی ہے، لیکن ان کو مختلف طریقے سے ترتیب دیا جاتا ہے۔ گریفائٹ کے برعکس، گرافین میں ایک دو جہتی واحد ایٹم پرت ہے جو ہیکساگونل شہد کے چھتے کی شکل میں ترتیب دی گئی ہے۔ یہ ڈھانچہ ایٹموں کو مضبوط ہم آہنگی بانڈ بنانے کی اجازت دیتا ہے جو اسے اعلی تناؤ کی طاقت اور اعلی لچک دیتا ہے۔ ان خصوصیات کی وجہ سے، گرافین الیکٹرانوں کو آزادانہ طور پر حرکت کرنے اور زیادہ برقی چالکتا رکھنے کی اجازت دیتا ہے۔
چونکہ سپر کیپیسیٹرز پلیٹوں کے درمیان کم فاصلہ رکھتے ہیں جو انہیں زیادہ جامد چارج ذخیرہ کرنے کی اجازت دیتا ہے، اس لیے گرافین میں ایک بہت ہی پتلی تہہ ہوتی ہے جو ایلومینیم کی تہہ کے مقابلے میں ایک ایٹم کے سائز کی ہوتی ہے۔ اس طرح، گرافین کیپیسیٹر کا سطحی رقبہ کافی زیادہ ہے، جو اسے دوسرے سپر کیپیسیٹرز کے مقابلے میں زیادہ توانائی ذخیرہ کرنے کی اجازت دیتا ہے۔
سپر کیپیسیٹرز میں گرافین پر مبنی الیکٹروڈ
جیسا کہ اوپر ذکر کیا گیا گرافین سطح کا ایک بڑا رقبہ فراہم کرتا ہے جو چارج کو ذخیرہ کرنے کے لیے کپیسیٹر کی صلاحیت کو بڑھاتا ہے۔ گرافین کا استعمال کرتے ہوئے الیکٹروڈ بنانے کے لیے مختلف تکنیکیں استعمال کی جاتی ہیں اور ان میں سے دو یہ ہیں:
گرافین فوم کی طرف سے تعمیر
گرافین فوم کا استعمال کرتے ہوئے تخلیق کیا گیا گرافین الیکٹروڈ اعلی چالکتا، ہلکا پھلکا اور لچکدار الیکٹروڈ فراہم کرتا ہے جس کا رقبہ کئی سینٹی میٹر تک بڑھایا جا سکتا ہے۔ 2 اور کئی ملی میٹر تک اونچائی۔ گرافین جھاگ کیمیائی بخارات جمع کرنے کی تکنیک کے ذریعے نکل یا تانبے کے جھاگ پر اُگا کر تخلیق کیا جاتا ہے۔ جب تانبے کے جھاگ پر گرافین فوم بنایا جاتا ہے تو یہ ایک اعلیٰ معیار کی گرافین کی تہہ پیدا کرتا ہے، لیکن جب دھات کی حمایت ہٹا دی جاتی ہے تو ساخت آسانی سے گر سکتی ہے۔ تاہم، اس کے بجائے نکل جھاگ کا استعمال ملٹی لیئر گرافین پرت بنانے کے لیے کیا جا سکتا ہے جسے بغیر کسی نقصان کے دھاتی سپورٹ سے احتیاط سے کھینچا جا سکتا ہے۔ مزید یہ کہ اس کیمیائی ترکیب کا استعمال کرتے ہوئے نکل فوم کے ذریعے کم گرافین آکسائیڈ بھی بن سکتا ہے۔ گرافین کے ساتھ کچھ اضافی چیزیں استعمال کی جاتی ہیں جو اعلی طاقت کی کثافت کو حاصل کرنے میں مدد کرتی ہیں اور الیکٹرانوں اور آئنوں کے لیے چھوٹے راستے فراہم کرتی ہیں اس طرح چارجز کی رفتار میں اضافہ ہوتا ہے۔ یہ اضافی چیزیں دھاتی آکسائیڈز، کنڈکٹیو پولیمر، اور دھاتی ہائیڈرو آکسائیڈز ہو سکتی ہیں، جو گرافین پر مبنی الیکٹروڈ کی تعمیر کو کم مہنگی بناتے ہیں۔
مندرجہ بالا تصویر کیمیائی بخارات جمع کرنے کے طریقہ کار کا استعمال کرتے ہوئے گرافین کی تہہ کی تشکیل کے عمل کو واضح کرتی ہے۔
لیزر رائٹنگ کے ذریعے فیبریکیشن
لیزر لکھنے کا طریقہ نسبتاً کم مہنگا ہے اور بڑے رقبے میں کمی کی تکنیک کو کم کرکے ایک ہی قدم میں 3D غیر محفوظ گرافین تیار کرتا ہے۔ اس طریقہ کار میں پہلے، گرافین کی ایک پتلی تہہ کو ٹیمپلیٹ پر جمع کیا جاتا ہے، اور پھر کمرشل لیزر گرافین آکسائیڈ کی تہہ کو روشن کرتا ہے۔ جب لیزر لائٹ گرافین آکسائیڈ پر واقع ہوتی ہے تو یہ نمائش کے علاقے میں غیر محفوظ کنڈکٹیو مواد بناتی ہے۔
نتیجے کے طور پر، الیکٹرولائٹ آئنوں کے لیے سطح کا رقبہ بڑھ جاتا ہے اور آکسیجن کا مواد کافی حد تک کم ہو جاتا ہے۔ جیسا کہ پچھلے طریقہ میں، کچھ اضافی اشیاء کو براہ راست لیزر تحریر میں استعمال کیا جا سکتا ہے جو کہ سبسٹریٹ گرافین آکسائیڈ اور پولیمر کا مرکب ہو سکتا ہے یا سبسٹریٹ صرف پولیمر بھی ہو سکتا ہے۔ یہاں ایک تصویر ہے جو براہ راست لیزر تحریر کے عمل کو واضح کرتی ہے:
گرافین پر مبنی سپر کیپیسیٹرز کی کارکردگی
گرافین کیپسیٹرز میں ایک موثر الیکٹران اور آئن کی منتقلی ہوتی ہے، جس کے نتیجے میں گریوی میٹرک اور والیومیٹرک صلاحیت زیادہ ہوتی ہے۔ اس کے علاوہ، وہ ایک اعلی سائیکل کی شرح استحکام اور اعلی توانائی کی صلاحیت کی نمائش کرتے ہیں.
توانائی کو ذخیرہ کرنے والے مختلف آلات کی کارکردگی اور رویے کا مطالعہ کرنے کے لیے ایک Ragone پلاٹ استعمال کیا جاتا ہے جس میں مخصوص توانائی (Wh/Kg) کی قدر کو مخصوص طاقت (W/Kg) کے خلاف پلاٹ کیا جاتا ہے۔ گراف دونوں محوروں کے لیے لاگ اسکیل کا استعمال کرتا ہے۔ y-axis مخصوص توانائی کی پیمائش کرتا ہے، جو کہ توانائی کی مقدار فی یونٹ ماس ہے۔ ایکس محور بجلی کی کثافت کی پیمائش کرتا ہے، جو فی یونٹ ماس میں توانائی کی ترسیل کی شرح ہے۔
راگون پلاٹ کا ایک نقطہ اس طرح دوسرے لفظوں میں وہ وقت دیتا ہے جس کے دوران y محور پر توانائی (فی یونٹ ماس) کو ایکس محور پر پاور (فی یونٹ ماس) میں پہنچایا جا سکتا ہے، اور وہ وقت ( ایک گھنٹے میں) توانائی اور طاقت کی کثافت کے درمیان تناسب کے طور پر دیا جاتا ہے۔ اس کے بعد، راگون پلاٹ میں آئی ایس او منحنی خطوط (مسلسل ترسیل کا وقت) اتحاد کی ڈھلوان کے ساتھ سیدھی لکیریں ہیں۔ ذیل میں Ragone پلاٹ مختلف توانائی ذخیرہ کرنے والے آلات کے لیے مخصوص توانائی (Wh/Kg) بمقابلہ مخصوص طاقت (W/Kg) دکھاتا ہے:
نتیجہ
گرافین کیپسیٹر ایک قسم کا سپر کیپکیٹر ہے جس میں گرافین سے بنے الیکٹروڈ ہوتے ہیں جو گریفائٹ سے آتے ہیں۔ گرافین الیکٹرولائٹ کو سطح کا ایک بڑا رقبہ فراہم کرتا ہے جس کے نتیجے میں گنجائش میں اضافہ ہوتا ہے اور چارجنگ کا وقت بھی کم ہوتا ہے۔ مزید یہ کہ گرافین الیکٹروڈ بنانے کی مختلف تکنیکیں ہیں، ان میں سے دو یہ ہیں: گرافین فوم اور ڈائریکٹ لیزر رائٹنگ۔