В России нашли неожиданное применение использованным маскам. Их превратили в батарейки

Это прорыв: специалисты рассказали, как переработать тонны отходов от использованных масок в энергию для гаджетов.

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 по переработке этих отходов.

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. Дополнительно закупать нужно будет лишь графен. Исследование опубликовано в журнале Journal of Energy Storage.

Участники

CONACYT-Division of Advanced Materials, Институт научных и технологических исследований Потосино AC, Сан-Луис-Потоси 78216, Мексика

Cinvestav Saltillo Unit, Industrial Park, Ramos Arizpe, Coahuila 25900, Мексика

Отдел прикладной физики, Cinvestav IPN, Mérida Unit, A.P. 73-Cordemex, Мерида, Юкатан 97310, Мексика

Институт нанотехнологий, Техасский университет в Далласе, Ричардсон, Техас, 75080 США

НИТУ «МиСиС», Национальный исследовательский технологический университет, Москва, Российская Федерация

***

Новые батареи можно будет использовать в бытовых устройствах, от часов до светильников.

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.

Из маски — в батарейку

«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», — говорит профессор, научный руководитель инфраструктурного проекта «Высокопроизводительная полимерная тандемная фотовольтаика на основе гибридных перовскитов» НИТУ «МИСиС» Анвар Захидов.

По словам специалиста, при создании обычных аккумуляторов-суперконденсаторов требуется очень высокая температура для пиролиза-карбонизации, до 1000-1300 градусов Цельсия, а новая технология снижает расход энергии в 10 раз.

«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 (парацетамола, например)», — заключает профессор.

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/кг.

Когда разработчики приняли решение 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 карбонизированных электродов без добавки графена (1000 фарад на грамм).

Абстракция

Мы изучили электрохимические характеристики твердотельных суперконденсаторов (SC), изготовленных из отходов хирургических масок (FM) и блистерных упаковок, переработанных из упаковки парацетамола. Оксид Ca3Co4O9-δ (CaCo) также наносился на электроды SC для накопления заряда за счет окислительно-восстановительных реакций. Микрочастицы CaCo имели пластинчатую морфологию и размеры в диапазоне 1–4 мкм. Они также представляли собой моноклинную фазу согласно анализу методом рентгеновской дифракции. Проведена электрохимическая характеристика СЭ на основе лицевой маски, которая показала, что максимальные значения емкости/плотности энергии составляют 1706,2 Ф г-1/208,4 Втч·кг-1 и 816,8 Ф·г-1/99,7 Втч·кг-1 для СЭ, изготовленных с и без CaCo соответственно. Таким образом, введение CaCo в СЭ улучшило плотность энергии и емкость на ≈108%. Лучшее устройство, изготовленное с CaCo, также показало умеренное сохранение емкости 82,1% после 1500 циклов заряда/разряда и длительное время разряда не менее 10 часов (при максимальном выходном напряжении 0,54 В). Кроме того, устройства подвергали прессованию, накладывая на них грузы массой 0,1–0,5 кг, и их емкость сохранялась лишь на 0,7–1,5%. Анализ с помощью XPS, измерений поглощения и рамановского рассеяния показал, что SC, изготовленные с CaCo, представляли собой дополнительные окислительно-восстановительные частицы Co2+/Co3+ и кислородные вакансии на их электродах; следовательно, они могли накапливать заряд за счет окислительно-восстановительных реакций. Таким образом, представленные здесь результаты показали, что из медицинских отходов можно изготавливать высокоэффективные СЭ, что может помочь уменьшить загрязнение окружающей среды пластиковыми остатками.