Ученые НИТУ МИСИС и НИИ ПМТ разработали быстрый метод получения углеродных материалов из хлопковых отходов. Время производства сократилось с полутора часов до нескольких минут. Новый материал подходит для электродов суперконденсаторов: он выдерживает 20 тысяч циклов и сохраняет 95% емкости. Исследование опубликовано в Journal of Energy Storage.
Зачем нужны суперконденсаторы?
В отличие от аккумуляторов, суперконденсаторы заряжаются и отдают энергию почти мгновенно и выдерживают сотни тысяч циклов. Их используют в электронике, транспорте, системах хранения энергии.
Электроды для них традиционно делают из активированного угля. Но его производство долгое (часы) и энергозатратное. Новая технология решает эту проблему.
Что придумали?
Вместо длительного нагрева в печах ученые применили микроволновую обработку в специальном волноводе в режиме бегущей волны. Ключевое отличие от бытовой микроволновки: в волноводе поле распределено равномерно, поэтому образец греется одинаково по всему объему, а не пятнами.
Исходное сырье — реальные отходы текстильного производства (хлопковый пух с комбината). Их не очищали специально, использовали "как есть".
Сколько времени?
Весь процесс — от хлопка до готового углеродного материала с нужной пористой структурой — занял менее 5 минут. Для сравнения: классический метод требует более полутора часов.
Почему новый материал лучше?
У традиционных активированных углей поры очень мелкие. Ионам электролита трудно в них проникать, особенно при высоких нагрузках.
В новом материале формируется иерархическая пористая структура: есть и мелкие поры, и более крупные каналы. Ионы легко перемещаются внутри, что резко повышает эффективность.
Насколько он надежен?
Испытания показали: после 20 тысяч циклов зарядки-разрядки образцы сохраняют более 95% емкости. При работе с высокими токами они превосходят традиционные активированные угли.
Это экологично?
Да. Микроволновый нагрев тратит энергию только на образец, а не на печь и воздух вокруг. Процесс идет минуты вместо часов, энергозатраты в разы ниже. Выделяющиеся летучие продукты можно разделить на биомасло (топливо) и газы, которые при промышленном производстве дожигают.
Кроме того, используются отходы, что соответствует концепции экономики замкнутого цикла: мусор становится ресурсом.
Что дальше?
Технология масштабируема. Ее можно адаптировать для других видов биомассы. В перспективе — быстрое и экологичное производство материалов для портативной электроники, электротранспорта и промышленной энергетики.