Ученые НИТУ «МИСиС» совместно с коллегами из США и Мексики разработали новую технологию получения экономичных аккумуляторов из медицинских отходов. По словам авторов, технология позволит превратить отходы, которые сложно утилизировать, в сырье. Исследование опубликовано в журнале Journal of Energy Storage.
По данным исследователей НИТУ «МИСиС», во время пандемии коронавируса жители планеты ежемесячно использовали более 130 миллиардов масок, которые превращались в сотни тонн полимерных отходов. При их сжигании выделяются токсичные газы, поэтому задача по переработке этих отходов стала очень актуальной.
Ученые НИТУ «МИСиС» совместно зарубежными коллегами разработали новую технологию получения экономичных аккумуляторов из использованных масок, где в качестве оболочек также используются отходы упаковок от лекарств. Таким образом, основой для создания элементов питания служат медицинские отходы, закупать необходимо лишь графен.
Новая технология 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 аккумуляторы, которые требуют больше расходов на производство. Новые батареи 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 (таких как парацетомол)», — рассказал профессор, научный руководитель инфраструктурного проекта «Высокопроизводительная полимерная тандемная фотовольтаика на основе гибридных перовскитов» НИТУ «МИСиС» Анвар Захидов.
Новые аккумуляторы, по сравнению с традиционными аналогами, обладают высокой плотностью запасенной энергии и электрической емкостью. Ранее созданные по похожей технологии таблеточные аккумуляторы имели емкость 10 ватт-часов на 1 кг, а ученым НИТУ «МИСиС» и их зарубежным коллегам удалось получить 98 ватт-часов/kg.
Когда разработчики приняли решение добавить к электродам, полученным из масок, наночастицы неорганического перовскита типа CaCoO, энергетическая емкость аккумуляторов возросла в два раза (208 ватт-часов/kg). Достигнута большая электрическая емкость в 1706 фарад на грамм (это значительно выше, чем емкость лучших карбонизованных электродов без добавки графена (1000 фарад на грамм).
Исследователи 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, покрышки 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 пропитки графеном достаточно для придания им уникальных свойств.
В будущем исследователи планируют использовать новую технологию для производства батарей для электромобилей, солнечных электростанций и другого применения.