हम बैटरी की जगह बड़े कैपेसिटर का इस्तेमाल क्यों नहीं कर सकते?

संधारित्रों में कई बेहतरीन गुण होते हैं। उदाहरण के लिए, वे रासायनिक ऊर्जा के बजाय विद्युत आवेश के रूप में ऊर्जा संग्रहित करते हैं। इससे आमतौर पर लगभग तुरंत चार्ज हो जाते हैं और बहुत उच्च पीक आउटपुट धारा उत्पन्न होती है। वे सैकड़ों-हजारों चार्ज-डिस्चार्ज चक्रों को सहन कर सकते हैं, जबकि पूर्ण-चक्रित बैटरियां केवल कुछ सैकड़ों चक्रों तक ही चल पाती हैं। तो फिर समस्या क्या है?

बैटरी लंबे समय तक लगभग स्थिर वोल्टेज प्रदान करती है। डिवाइस के प्रकार के आधार पर, बैटरी खत्म होने के करीब आने पर परफॉर्मेंस संबंधी समस्याएं आ सकती हैं। उदाहरण के लिए, स्मार्टफोन पावर सेविंग मोड में चले जाते हैं। यह सिर्फ बैटरी को थोड़ी देर और चलाने के लिए नहीं, बल्कि बिना किसी चेतावनी के अचानक बंद होने से बचाने के लिए भी होता है।

जैसा कि आप देख सकते हैं, बैटरी के लगभग खत्म होने पर वोल्टेज कम हो जाता है। आपके फोन में एक पावर कन्वर्जन सर्किट होता है, जो समग्र पावर मैनेजमेंट का हिस्सा है। यह सर्किट बैटरी की अस्थिर पावर को सिस्टम की अत्यधिक नियंत्रित पावर (संभवतः कई अलग-अलग वोल्टेज) में परिवर्तित करता है। ध्यान दें कि यहाँ एक महत्वपूर्ण संबंध है: पावर = करंट * वोल्टेज। इसलिए, वोल्टेज कम होने पर समान पावर बनाए रखने के लिए, मेरे सर्किट को अधिक करंट खींचना पड़ता है।

प्रत्येक बैटरी में थोड़ा आंतरिक प्रतिरोध होता है, और ओम के नियम नामक एक अन्य संबंध के कारण, आप जानते हैं कि बैटरी में कुछ वोल्टेज की कमी होगी। चित्र में, Vout=V0−r∗I है, जहाँ I धारा है। इस प्रकार, जैसे-जैसे मेरा V0 घटता है और मेरे पावर मैनेजमेंट सर्किट को समान शक्ति प्रदान करने के लिए अधिक धारा खींचनी पड़ती है, बैटरी का आउटपुट वोल्टेज और भी तेज़ी से घटता है। यह बैटरी के अधिकतम धारा आउटपुट को सीमित करता है, और इसका यह भी अर्थ है कि बैटरी लगभग खत्म होने पर जल्दी ही काम करना बंद कर देती है।

लेकिन संधारित्र में आउटपुट वोल्टेज, पीक करंट और कुल शक्ति समय के साथ तेजी से घटती जाती है। संधारित्र का एक लाभ यह है कि यह विद्युत आवेश को रासायनिक आवेश में परिवर्तित करने के बजाय विद्युत आवेश को संग्रहित करता है, जैसा कि बैटरी में होता है। इसलिए, हालांकि इसमें आंतरिक प्रतिरोध होता है, यह बहुत कम होता है और आमतौर पर इसे नजरअंदाज किया जा सकता है। संधारित्र थोड़े समय के लिए बहुत अधिक धारा प्रदान कर सकते हैं।

लेकिन किसी चीज़ को बिजली देने के मामले में, ये समस्या पैदा करते हैं। याद कीजिए, मैं अपने पावर मैनेजमेंट सिस्टम में लगातार बिजली की आपूर्ति बनाए रखना चाहता था, और बिजली = करंट * वोल्टेज। जैसे-जैसे हमारा वोल्टेज तेज़ी से गिरता है, हमें उतनी ही बिजली देने के लिए तेज़ी से बढ़ते करंट से इसकी भरपाई करनी पड़ती है। बहुत ज़्यादा करंट से सर्किट बहुत महंगा हो जाता है, पावर कन्वर्ज़न कंपोनेंट्स बड़े हो जाते हैं, सर्किट बोर्ड में बिजली की हानि बढ़ जाती है, आदि... बैटरी के खत्म होने के समय भी यही मूल समस्या होती है, बस फर्क इतना है कि यह समस्या कैपेसिटर के उपयोगी पावर स्टोरेज जीवन के शुरुआती दौर में ही शुरू हो जाती है। और जैसे-जैसे कैपेसिटर की क्षमता कम होती जाती है, पीक करंट, जो अभी भी अपेक्षाकृत ज़्यादा होता है, वह भी कम होता जाता है।

दूसरी समस्या यह है कि आधुनिक अल्ट्राकैपेसिटर की विशिष्ट ऊर्जा बैटरी की तुलना में काफी कम होती है। बाज़ार में उपलब्ध सर्वोत्तम अल्ट्राकैपेसिटर 8-10 Wh/kg ऊर्जा प्रदान करते हैं, जबकि अधिकांश की ऊर्जा लगभग 5 Wh/kg होती है। वहीं, सर्वोत्तम लिथियम-आयन बैटरी लगभग 200 Wh/kg ऊर्जा प्रदान करती हैं, और कई प्रकार की बैटरियां 100 Wh/kg से भी अधिक ऊर्जा प्रदान कर सकती हैं। इसलिए अल्ट्राकैपेसिटर का उपयोग करने के लिए लगभग 20 गुना अधिक वजन की आवश्यकता होती है। संभवतः इससे भी अधिक, क्योंकि डिस्चार्ज के दौरान, उपयोग के आधार पर, वोल्टेज इतना कम हो जाएगा कि उसका उपयोग संभव नहीं रहेगा, जिससे बिजली अप्रयुक्त रह जाएगी। इसके अलावा, पारंपरिक कैपेसिटर के विपरीत, अल्ट्राकैपेसिटर का आंतरिक प्रतिरोध भी अपेक्षाकृत अधिक होता है। इसलिए वे वोल्टेज और करंट के बीच बहुत अधिक आदान-प्रदान को सहन नहीं कर सकते।

फिर आता है स्व-डिस्चार्ज: किसी स्टोरेज डिवाइस से पावर कितनी तेज़ी से "लीक" होती है। केवल NiMh सेल ही टिकाऊ होते हैं, लेकिन वे प्रति माह 20-30% तक स्व-डिस्चार्ज हो जाते हैं। Li-ion सेल इसे कम करके प्रति माह 2% से भी कम कर देते हैं, यह Li-ion तकनीक पर निर्भर करता है, और कुछ सिस्टम में बैटरी मॉनिटरिंग ओवरहेड के आधार पर यह 3% तक भी हो सकता है। आज के अल्ट्राकैपेसिटर पहले महीने में ही 50% तक चार्ज खो देते हैं। यह शायद उन डिवाइसों के लिए मायने न रखता हो जिन्हें रोज़ाना चार्ज किया जाता है, लेकिन यह कैपेसिटर बनाम बैटरी के उपयोग के मामलों को निश्चित रूप से सीमित कर देता है, कम से कम तब तक जब तक बेहतर डिज़ाइन नहीं बन जाते।

और चूंकि इनकी बहुत अधिक संख्या में आवश्यकता होती है, इसलिए अल्ट्राकैपेसिटर की वर्तमान लागत बैटरी की लागत से 6 से 20 गुना अधिक हो सकती है। यदि आपके एप्लिकेशन को बहुत कम पावर आउटपुट की आवश्यकता है, विशेष रूप से बहुत कम समय के लिए उच्च करंट सर्ज की, तो अल्ट्राकैप एक विकल्प हो सकता है। अन्यथा, निकट भविष्य में यह बैटरी का विकल्प नहीं बन पाएगा।

इलेक्ट्रिक कारों जैसे उच्च-धारा वाले अनुप्रयोगों के लिए, अकेले अल्ट्राकैपेसिटर का उपयोग करना अभी उतना उपयोगी नहीं है। हालांकि, अल्ट्राकैपेसिटर और बैटरी दोनों का उपयोग करने वाले सिस्टम आकर्षक हो सकते हैं, क्योंकि इनमें मौजूद अंतर एक-दूसरे के पूरक हैं। अल्ट्राकैपेसिटर की उच्च धारा प्रवाह क्षमता और लंबी आयु, बैटरी की उच्च विशिष्ट ऊर्जा/ऊर्जा घनत्व के विपरीत है। बेहतर अल्ट्राकैपेसिटर और बैटरी विकसित करने के लिए काफी काम चल रहा है। इसलिए शायद भविष्य में अल्ट्राकैपेसिटर बैटरी के कई कार्यों को संभाल सके।

लेख का स्रोत: https://qr.ae/pCacU0