Ученые Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» (НИТУ «МИСиС») совместно с коллегами из США и Мексики разработали новую технологию получения экономичных аккумуляторов из использованных медицинских масок и лекарственных упаковок. По словам авторов, она позволит превратить в сырье отходы, которые сложно утилизировать. Исследование опубликовало издание Journal of Energy Storage.

По данным исследователей НИТУ «МИСиС», во время пандемии коронавируса жители планеты ежемесячно стали использовать более 130 миллиардов масок, которые превращаются в сотни тонн полимерных отходов. При их сжигании выделяются токсичные газы, поэтому особенно актуальна задача переработки этих отходов.

Специалисты совместно с зарубежными коллегами разработали новую технологию получения экономичных аккумуляторов из использованных масок, где в качестве оболочек используются отходы упаковок от лекарств. Таким образом, основу для создания элементов питания создают медицинские отходы, закупать необходимо лишь графен.

Этот способ позволяет получить тонкие, гибкие, дешевые батареи, которые за счет низкой себестоимости могут быть и одноразовыми. Они превосходят по ряду параметров более тяжелые, покрытые металлом традиционные аналоги, производство которых требуют больших расходов. Новые аккумуляторы, по словам авторов разработки, можно будет использовать в бытовых устройствах, от часов до светильников.

«Для создания аккумулятора типа суперконденсатора используется следующий алгоритм: сначала маски дезинфицируют с помощью ультразвука, затем окунают в «чернила» из графена, которые пропитывают маску. Потом материал прессуют под давлением, нагревают до 140 градусов Цельсия (при создании обычных аккумуляторов-суперканденсаторов требуется очень высокая температура для пиролиза-карбонизации, до 1000-1300 градусов Цельсия, а новая технология снижает расход энергии в 10 раз). Затем между двумя электродами из нового материала размещают прокладку (тоже из материала масок) с изолирующими свойствами. Ее пропитывают особым электролитом, а затем создают защитную оболочку из материала упаковок от лекарств», — рассказал научный руководитель инфраструктурного проекта «Высокопроизводительная полимерная тандемная фотовольтаика на основе гибридных перовскитов» НИТУ «МИСиС» Анвар Захидов.

Новая разработка, по сравнению с традиционными аналогами, обладает высокой плотностью запасенной энергии и электрической емкостью. Ранее созданные по похожей технологии таблеточные аккумуляторы имели емкость десять ватт-часов на килограмм, а ученым НИТУ «МИСиС» и их зарубежным коллегам удалось получить 98 ватт-часов/кг.

Когда специалисты решили добавить к электродам, полученным из масок, наночастицы неорганического перовскита типа CaCoO, энергетическая емкость аккумуляторов возросла дополнительно в два раза (208 ватт-часов/кг). Достигнута большая электрическая емкость в 1706 фарад на грамм. Это значительно выше по сравнению с емкостью лучших карбонизованных электродов без добавки графена (1000 фарад на грамм).

Ученые и ранее пробовали использовать разные пористые природные материалы и отходы для изготовления электродов для суперконденсаторов. Это были оболочки кокосовых орехов, рисовая шелуха, a недавно даже газетные отходы, отходы покрышек от автомобилей и другие. Но работа с ними всегда требовала высокотемпературного отжига (обугливания) в специальных печах. Маски оказались более простым и дешевым материалом для обработки, так как пропитка графеном достаточна для придания им уникальных свойств.

В будущем исследователи планируют использовать новую технологию для производства батарей для электромобилей, солнечных электростанций и другого применения.