परिचय

जैसे-जैसे नैनो बैटरी तकनीक आगे बढ़ रही है, बायो-मेडिकल इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को सूक्ष्म और नैनो पैमाने पर सिकोड़ने की मांग बढ़ रही है। मांग पर बिजली प्रदान करने के लिए इन नैनो पैमाने के बायोमेडिकल उपकरणों को जैव संगत ऊर्जा स्रोतों की आवश्यकता होगी। इस प्रकार सूक्ष्म और नैनो बैटरी का विकास जैव-चिकित्सा उपकरण समुदाय के लिए बहुत रुचिकर है। आदर्श रूप से नैनो बैटरी को नैनो स्केल आयामों के साथ एकल बैटरी सेल के रूप में देखा जाता है जिसे नैनो डिवाइस पर एकीकृत किया जा सकता है। हालांकि, प्रौद्योगिकी की वर्तमान स्थिति को देखते हुए, एक सुनिश्चित विश्वसनीय प्रदर्शन के साथ एकल नैनो बैटरी बनाना मुश्किल है।
इस प्रकार इस लक्ष्य को प्राप्त करने के लिए पहला तार्किक कदम मैक्रो बैटरी को सूक्ष्म और नैनो कोशिकाओं की एक सरणी के साथ विकसित करना है। प्रत्येक सेल अपने आप में एक बैटरी है और वे विद्युत रूप से समानांतर में जुड़े हुए हैं ताकि इस उपकरण से खींची गई कुल शक्ति सूक्ष्म और नैनो कोशिकाओं की इस सरणी से प्राप्त शक्ति का योग हो। एक बार जब यह बैटरी निर्मित हो जाती है तो पैकेज नैनो बैटरी सिस्टम के लिए जैव संगत कोटिंग्स को विकसित करने की आवश्यकता होती है ताकि उन्हें जैविक प्रणालियों में सुरक्षित रूप से प्रत्यारोपित किया जा सके।
समूह द्वारा विकसित नैनो बैटरी प्रौद्योगिकी प्रणाली के निम्नलिखित फायदे भी हैं। जबकि पारंपरिक बैटरी आमतौर पर भारी होती हैं और यह कई अनुप्रयोगों में उनके उपयोग को सीमित करती है, नैनो बैटरी हल्की होती हैं और इसलिए बहुमुखी होती हैं। भगोड़ा थर्मल विफलता समाप्त हो जाती है क्योंकि प्रत्येक नैनो बैटरी सेल शेष नैनो बैटरी कोशिकाओं से विद्युत रूप से पृथक होती है। इसके अलावा, चूंकि प्रत्येक सेल का आयतन छोटा होता है, कोई भी थर्मल रनवे रिएक्शन नैनो सेल में समाहित होता है और यह सीमित गर्मी उत्पन्न करेगा जिसे बैटरी आसानी से झेल सकती है।

सारांश

नैनो स्केल क्षेत्र में आयामों के साथ बायो-मेडिकल उपकरणों के भविष्य को उन्हें शक्ति प्रदान करने के लिए स्वतंत्र ऊर्जा स्रोतों की आवश्यकता होगी। इन ऊर्जा स्रोतों के लिए लिथियम आयन माइक्रो और नैनो बैटरी उत्कृष्ट उम्मीदवार हैं। हमारा प्रस्तावित नैनो बैटरी डिजाइन यह सुनिश्चित करता है कि ये बैटरी हल्की और तेज रिचार्जेबल समय के साथ सुरक्षित रहें। हमने सटीक मशीनिंग के लिए फेमटोसेकंड लेजर का उपयोग किया है। लेजर बीम द्वारा निर्मित तीव्र विद्युत क्षेत्र हिमस्खलन आयनीकरण के कारण विद्युत टूटने को प्रेरित करता है।
फेमटोसेकंड दालों के लिए, यह ब्रेकडाउन थ्रेशोल्ड काफी हद तक नियतात्मक रहता है जिससे माइक्रो और नैनो-मशीनिंग के लिए महिला को दूसरे लेज़रों के उपयोग की अनुमति मिलती है। नैनो बैटरी में एनोड, कैथोड और विभाजक शामिल थे। एनोड ग्रेफाइट या मोलिब्डेनम ऑक्साइड से बना था जबकि कैथोड LiCoO2 से बना था। विभाजक एक केम्प्टन झिल्ली था जिसमें n x n छिद्रों की एक सरणी थी जिसमें माइक्रो- या नैनो-स्केल छेद होते थे जो तब ली-आधारित इलेक्ट्रोलाइट से भरे होते थे।

बैटरी का विकास और निर्माण

सभी सामग्रियों को एक केंद्रित लेजर बीम द्वारा क्षति के लिए अतिसंवेदनशील होते हैं जब लेजर बीम द्वारा उत्पादित प्रेरित विद्युत क्षेत्र कूलम्ब क्षेत्र के बराबर होता है जो इलेक्ट्रॉन परमाणु नाभिक की निकटता में देखता है जो मुक्त हिमस्खलन प्रक्रिया के निर्माण पर अग्रणी होता है। इलेक्ट्रॉनों। यह प्रक्रिया पारदर्शी सामग्रियों में भी होती है जो एक अपारदर्शी बन जाती है जब मुक्त इलेक्ट्रॉन घनत्व उस विशेष प्रकाश के लिए महत्वपूर्ण घनत्व तक पहुंचता है।
यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि इस ऑप्टिकल ब्रेकडाउन की तीव्रता पर एक गैर-रेखीय निर्भरता है और यह “थ्रेशोल्डिंग” द्वारा उप-विवर्तन सीमा तक सीमित होने की अनुमति देता है, जिससे नैनो स्केल सुविधाओं के निर्माण की अनुमति मिलती है। स्क्वायर एट अल 1991 जोगेलकर एट अल 2003। हालांकि, वैकल्पिक रूप से प्रेरित ढांकता हुआ टी 1/2 के रूप में तराजू को तोड़ता है, जहां यह 10 पीएस से अधिक पल्स अवधि के लिए पल्स चौड़ाई है, क्षति सीमा छोटी दालों स्टुअर्ट एट अल 1996 के लिए काफी स्थिर और नियतात्मक बनी हुई है।
अल्ट्रा-शॉर्ट दालों के लिए, बीम का ध्रुवीकरण भी एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। रैखिक ध्रुवीकरण के लिए, ध्रुवीकृत बीम की दिशा में एक मशीनी छेद संकीर्ण नाली बन जाता है। सामग्री वेंकटकृष्णन एट अल 2002 की दहलीज के करीब कम नाड़ी ऊर्जा पर यह प्रभाव स्पष्ट था। कम ऊर्जा पर, बीम के केवल मध्य भाग में सामग्री को अलग करने के लिए पर्याप्त ऊर्जा होती है और इस प्रकार, इस ऊर्जा शासन में।

प्रायोगिक और परिणाम

फेरिटिन को आकार बहिष्करण क्रोमैटोग्राफी के माध्यम से शुद्ध किया गया था और कोर सामग्री के बिना एपो फेरिटिन, फेरिटिन बनाने के लिए एक कमी प्रक्रिया के माध्यम से डी खनिजकृत किया गया था। Co ferritin को H2O2.11 की उपस्थिति में Apo ferritin में Co2+ जोड़कर संश्लेषित किया गया था, इसी तरह, ferritins को अन्य धात्विक कोर के साथ पुनर्गठित किया जा सकता है। फेरिटिन सरणियों को बिल्ली आयनित फेरिटिन का उपयोग करके गढ़ा गया था, जो नकारात्मक रूप से चार्ज किए गए सी सब्सट्रेट के लिए एक मजबूत इलेक्ट्रोस्टैटिक आकर्षण को सक्षम करता है। स्पिन सेल्फ-असेंबली (SSA) डिपोजिशन विधि का उपयोग विभिन्न सबस्ट्रेट्स पर फेरिटिन सरणियों के उत्पादन के लिए किया गया था।
सरणियों, रेडॉक्स चार्ज ट्रांसफर चेन से बने सिलिकॉन सबस्ट्रेट्स पर फेरिटिन की क्रमिक परतों को जमा करना। जोड़े के सीरियल और समांतर कनेक्शन को चुनकर वर्तमान और वोल्टेज का कुल उत्पादन तैयार किया जा सकता है। परत संरचना की जांच स्कैनिंग जांच माइक्रोस्कोपी (एसपीएम) का उपयोग करके पूरी की गई थी, जबकि धातु कोर के साथ फेरिटिन के चुंबकीय गुणों ने चुंबकीय बल माइक्रोस्कोपी (एमएफएम) टिप का उपयोग करने की अनुमति दी थी। एसपीएम छवियां 2-डी फेरिटिन सरणियों को सुचारू और समान दिखाती हैं, यह सुझाव देते हुए कि एसएसए जमाव विधि जैव-नैनो बैटरी प्रौद्योगिकियों के लिए तेज़, विश्वसनीय सरणियाँ उत्पन्न करेगी।
Co ferritin के स्थिरता परीक्षणों से संकेत मिलता है कि अधिकांश कोबाल्ट Co ferritin (>90%) के लिए विस्तारित समय अवधि के लिए बाध्य रहता है, जो ferritin इंटीरियर के भीतर Co (OH) 2 खनिज चरण की स्थिरता का प्रदर्शन करता है। चित्र 350 nm पर Co फेरिटिन में Co3+ से Co2+ में कमी दर्शाता है। कोबाल्ट कोर की कमी के साथ अवशोषण कम हो जाता है क्योंकि एस्कॉर्बिक एसिड एक 2 इलेक्ट्रॉन दाता जोड़ा जाता है, जब तक यह स्थिर नहीं हो जाता है जब सभी Co3+-फेरिटिन Co2+-फेरिटिन में कम हो जाते हैं। इस परिणाम से पता चलता है कि 1.85 Co3+ प्रति एस्कॉर्बिक एसिड जोड़ा जाता है।
किलोमीट्रिक कमी मापन के लिए एक इलेक्ट्रोकेमिकल सेल का भी उपयोग किया गया था, जिसमें दिखाया गया था कि Co3+-फेरिटिन के इलेक्ट्रोलिसिस के दौरान 1.10 e/Co लिया गया था। Co ferritin और MN ferritin दोनों के कमी संतुलन और कमी कैनेटीक्स की भी जांच की गई। प्रारंभिक परिणामों से पता चला है कि MII और MIII कोर सामग्री के बीच एक संतुलन की स्थिति हासिल की गई थी। कैनेटीक्स में कमी समय के साथ कोर सामग्री में कमी दर्शाती है। परिणाम बताते हैं कि मैंगनीज कोबाल्ट की तुलना में बहुत तेजी से घटता है।

कुछ प्रौद्योगिकियां हैं जो मुख्य रूप से नैनो बैटरी में उपयोग की जाती हैं

1) नैनो फास्फेट प्रौद्योगिकी
2) नैनोपोर बैटरी तकनीक
3) लिथियम आयन बैटरी (लिथियम टाइटेनेट का उपयोग करके)

1.नैनो फास्फेट प्रौद्योगिकी

एक उन्नत बैटरी सिस्टम का समग्र प्रदर्शन और विश्वसनीयता काफी हद तक सेल में उपयोग किए जाने वाले रसायन पर निर्भर करती है। नैनोफॉस्फेट को मानक लिथियम आयरन फॉस्फेट (एलएफपी) के साथ भ्रमित नहीं होना चाहिए, जिसकी दर क्षमता और पावर कम है। नैनोफॉस्फेट है लिथियम आयन बैटरी कैथोड प्रोफेसर द्वारा अभी तक मिंग चेन और उनके समूह द्वारा स्थापित किया गया है। नैनोफॉस्फेट कणों को दो समूहों में विभाजित किया गया है, अर्थात् प्राथमिक और माध्यमिक। इसके विपरीत, मोनोफॉस्फेट तकनीक में रासायनिक प्रतिक्रियाएं इलेक्ट्रोलाइट के साथ कैथोड सतह क्षेत्र को बढ़ा सकती हैं, जो तेजी से लिथियम सम्मिलन और इस प्रकार अधिक शक्ति की अनुमति देती हैं। हालांकि, एक ही समय में, सभी थोक मात्रा अभी भी ऊर्जा को स्टोर करने के लिए उपयोग की जाती है। जैसा कि दिए गए आंकड़े में दिखाया गया है मोनोफॉस्फेट प्रौद्योगिकी की एक और महत्वपूर्ण विशेषता चार्ज राज्यों (एसओसी) की विस्तृत श्रृंखला पर लगातार बिजली क्षमता है। अधिकांश बैटरी प्रौद्योगिकियों में कम एसओसी पर बिजली की क्षमता काफी कम होती है।

2.नैनो पोर बैटरी तकनीक

अब, शोधकर्ताओं ने एक नैनो बैटरी में सामग्रियों को पुनर्गठित करने में कामयाबी हासिल की है, फिर इन व्यक्तिगत बैटरियों को बड़ी डिवाइस में बंडल करें। इससे पहले, शोधकर्ताओं ने एनोडिक एल्यूमीनियम ऑक्साइड से बने नैनो छिद्र के भीतर दो इलेक्ट्रोड रखकर और उन्हें अलग करने के लिए अल्ट्राथिन विद्युत इन्सुलेट सामग्री का उपयोग करके 3डी नैनोसंरचित बैटरी विकसित की थी।
जबकि इस प्रणाली ने शक्ति और ऊर्जा घनत्व में सुधार किया था, ऐसे पतले विद्युत इंसुलेटर का उपयोग चार्ज प्रतिधारण को सीमित करता है और जटिल सर्किट की आवश्यकता होती है ताकि उनके बीच करंट को शिफ्ट किया जा सके, सामग्री की स्थानिक बाधाओं के कारण 3डी नैनो आर्किटेक्चर के लाभों को बनाए रखना मुश्किल है। . वायर्ड सर्किट का उपयोग करने के बजाय, बैटरी सर्किट कनेक्ट करने के लिए विद्युत प्रवाहकीय आयन इलेक्ट्रोलाइट्स के तरल समाधान का उपयोग किया गया है।
हालाँकि, इलेक्ट्रोलाइट्स का उपयोग करने वाली नैनो बैटरी को कम चार्ज स्टोरेज दिखाया गया है; इसके अलावा, जब 3डी संरचनाओं के संयोजन में उपयोग किया जाता है, तो असमान आयन सांद्रता प्रवणता के परिणामस्वरूप असमान वर्तमान घनत्व होता है। हाल ही में, शोधकर्ताओं ने बैटरी के डिजाइन के माध्यम से इन सीमाओं को पार कर लिया है जो अधिक प्रभावी ढंग से कई घटकों को जोड़ती है। नई बैटरी नैनो बैटरी के समानांतर सरणी से बनी है।

3.नैनो संरचित बैटरी

लीड एसिड बैटरी प्रौद्योगिकी, पारंपरिक ली-आयन प्रौद्योगिकी इत्यादि जीवन, सुरक्षा, रिमोट यूपीएस (अनइंटरप्टेबल पावर सप्लाई) अनुप्रयोगों जैसे विस्तारित आवश्यकताओं को पूरा करने में विफल रही हैं। और ये प्रौद्योगिकियां शॉर्ट सर्किट, ओवर रिचार्ज, अत्यधिक उच्च और निम्न तापमान के संपर्क में, निर्वहन पर अपमानजनक स्थितियों को बर्दाश्त नहीं कर सकती हैं।
अल्टेयर नैनो कंपनी ने नैनो तकनीक का उपयोग कर बैटरी द्वारा विकसित किया है जो पारंपरिक बैटरी की कुछ कमियों को दूर करता है। अल्टेयर नैनो की ली-आयन तकनीक आमतौर पर इस्तेमाल की जाने वाली ली-आयन तकनीक से अलग है। उन्होंने नैनो-संरचित लिथियम टाइटन एटी के साथ पारंपरिक बैटरी में उपयोग की जाने वाली ग्रेफाइट सामग्री को बदल दिया।

नैनो बैटरी को आम तौर पर तीन वर्गों द्वारा वर्णित किया जाता है

1. एनोड
2. कैथोड
3. इलेक्ट्रोलाइट

एनोड की लिथियम आयन बैटरी में लगभग हमेशा ग्रेफाइट होता है, इसलिए अधिकांश शोध कैथोड और इलेक्ट्रोलाइट सामग्री पर किए जा रहे हैं। नैनो बैटरी में उपयोग की जाने वाली सामग्रियों के आकार को कम करके, उच्च चालकता तक पहुंचा जा सकता है, जिससे चार्ज और डिस्चार्ज दोनों में शक्ति में वृद्धि हो सकती है।

सेंसर बिजली इकाइयों के लिए नैनो बैटरी डिजाइन

नैनो स्केल सेंसर के अपेक्षित अनुप्रयोगों के लिए इन प्रणालियों की आवश्यकता होगी कि वे बैटरी जैसे बिजली स्रोत से स्वतंत्र हों। नैनो बैटरी के विकास और लक्षण वर्णन के क्षेत्र में टीटर्स द्वारा पिछला काम किया गया है। यह काम नैनोमीटर युक्त व्यक्तिगत एनएम स्केल बैटरी सरणी के निर्माण से संबंधित है।
टीटर्स के समूह को व्यावसायिक रूप से उपलब्ध गैर झरझरा एल्युमिना मेम्ब्रेन Synkera Technologies, Longmont, CO का उपयोग करके हेक्सागोनल ऑर्डर किए गए छिद्रों का उपयोग करके बैटरियों की सरणियाँ बनाने के तरीके विकसित किए गए हैं। ये छिद्र कई सौ नैनोमीटर से लेकर 10 नैनोमीटर व्यास से छोटे हो सकते हैं। झिल्लियों की मोटाई अधिकतम 60 माइक्रोन या उससे कम होती है। नैनो बैटरी ऐरे बनाने की तकनीकों को टीटर्स समूह द्वारा विकसित किया गया है और इसका सारांश नीचे दिया जाएगा।
नैनो बैटरियों की व्यूह रचना मेम्ब्रेन के एक तरफ को पॉलीमर फिल्म से सील करके और दूसरी तरफ सोल जेल इलेक्ट्रोलाइट मैटेरियल जैसे V2 O5 की परत लगाकर बनाई जाती है। चूंकि झिल्ली में नैनो छिद्र एक तरफ से सील होते हैं, सोल जेल केवल छिद्रों में आंशिक रूप से प्रवेश कर सकता है। झिल्ली के इस तरफ के लिए इलेक्ट्रोड बनाने वाला सोल जेल ठीक हो जाता है। अतिरिक्त सोल जेल जो झिल्ली छिद्रों के ऊपर होता है, सतह पर नैनो बैटरियों की सरणियों के लिए अलग-अलग नैनो स्केल इलेक्ट्रोड छोड़ते हुए पाया गया है।
इस तरफ नैनो छिद्रों को खोलने वाले विलायक के उपयोग से बहुलक सील को झिल्ली के दूसरी तरफ से हटा दिया जाता है। एक पिघला हुआ पॉली एथिलीन ऑक्साइड बहुलक या अकार्बनिक नमक इलेक्ट्रोलाइट को खुले छिद्रों में पेश किया जाता है, जो निर्वात स्थितियों के तहत केशिका क्रिया द्वारा सुगम होता है। झिल्ली के इस तरफ फिर इलेक्ट्रोड सामग्री की सतत परत पर रखा जाता है। यह चित्र में दिखाया गया है।

सारांश

जैव नैनो बैटरी सर्किट डिजाइन में अधिक लचीलापन बनाने, बिजली भंडारण प्रणालियों को वितरित करने में सक्षम होगी। Fe ferritin और Co ferritin के लक्षण वर्णन से संकेत मिलता है कि वे जैव नैनो बैटरी आधा सेल इकाइयों के लिए अच्छे उम्मीदवार होंगे। उच्च रेडॉक्स क्षमता वाले अन्य धातु कोर सामग्री के साथ फेरिटिन का पुनर्गठन बायो नैनो बैटरी की शक्ति घनत्व में सुधार कर सकता है।
स्पिन सेल्फ-असेंबली डिपोजिशन विधि का उपयोग करके फेरिटिन के दो आयामी सरणियों को सिलिकॉन सबस्ट्रेट्स पर सफलतापूर्वक गढ़ा गया था। इलेक्ट्रॉन परिवहन में सुधार और अन्य मुख्य सामग्रियों के साथ बहुस्तरीय फेरिटिन सरणियों और फेरिटिन का उपयोग करने से बायो-नैनो बैटरी के प्रदर्शन में सुधार हो सकता है।

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