Ученые МИСиС разработали технологию получения аккумуляторов из использованных медицинских масок
Электричество из маски © stimul.online
Этапы приготовления дисковых электродов для суперконденсаторов. Изображение предоставлено А. Захидовым
Ученые НИТУ «МИСиС» совместно с коллегами из США и Мексики разработали новую технологию получения экономичных аккумуляторов из использованных медицинских масок. Даже оболочки этих аккумуляторов изготавливаются из полимерных упаковок от таблетированных лекарств. О новой разработке пишет журнал об инновациях в России «Стимул».
По данным исследований, 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 обеспечить переработку этих отходов.
Новая технология позволяет получать тонкие, гибкие, дешевые аккумуляторные батареи типа суперконденсаторов, за счет низкой себестоимости они могут быть и одноразовыми. Они превосходят по ряду параметров более тяжелые, покрытые металлом традиционные аккумуляторы, которые требуют больше расходов на производство.
Исследователи и раньше пробовали изготавливать электроды для аккумуляторов-суперконденсаторов из различных пористых природных материалов и отходов. Их делали из оболочек кокосовых орехов, рисовой шелухи, a недавно даже использовали с этой целью газетные отходы и отработанные автомобильные покрышки. Но работа с ними всегда требовала высокотемпературного отжига (обугливания) в специальных печах с инертной атмосферой. Маски оказались более простым и дешевым материалом для обработки, так как пропитки графеном с применением внешнего давления уже достаточно для придания им уникальных электрических свойств.
Новые батареи можно будет использовать в бытовых устройствах, от часов до светильников. В будущем исследователи планируют производить батареи для электромобилей, солнечных электростанций и других нужд.
ЗАХОВ.jpg © stimul.online
Научный руководитель инфраструктурного проекта «Высокопроизводительная полимерная тандемная фотовольтаика на основе гибридных перовскитов» НИТУ «МИСиС», профессор Анвар Захидов. Изображение предоставлено А. Захидовым
ЭНЕРГОЕМКИЕ МАСКИ
«С моими коллегами из Мексики нам удалось сделать очень интересные аккумуляторы типа суперконденсаторов в виде таблеток, — рассказал „Стимулу“ научный руководитель инфраструктурного проекта „Высокопроизводительная полимерная тандемная фотовольтаика на основе гибридных перовскитов“ НИТУ „МИСиС“ профессор Анвар Захидов. — Они небольшого размера, но при этом обладают прекрасными показателями: плотностью запасенной энергии и электрической емкостью. Таблеточные аккумуляторы делали и до нас, но мы их получили из отходов медицинских масок, которые используются для защиты от вируса COVID-19. А оболочками для этих источников питания служат полимерные упаковки от таблеточных лекарств, которые применяются при лечении коронавируса. Например, из-под парацетамола».
Результаты группы профессора Захидова в десять раз и даже больше превосходят результаты предыдущих попыток использовать маски для изготовления аккумуляторов. Например, нынешние батареи имеют емкостью примерно 10 Вт⋅ч/кг, а новая технология позволила получить 98 Вт⋅ч/кг, то есть в 9,8 раза больше.
«А когда мы добавили к нашим электродам, полученным из масок, еще и наночастицы перовскита, — рассказывает Анвар Захидов, — то получили результаты еще в два раза лучше: 208 ватт-часов на килограмм. Отмечу, что перовскит — это сейчас очень важный и, так сказать, модный материал, я им давно занимаюсь, но наш перовскит неорганический в данном случае, это оксид кальций кобальта, CaCoO».
Как пояснил исследователь, при добавлении перовскита в игру вступает новый механизм зарядки аккумулятора, так называемый химический. Происходит окислительно-восстановительный процесс, трехвалентный кобальт переходит в состояние кобальта 2+, один электрон он берет из внешней цепи во время зарядки, и это увеличивает электрическую емкость с 816 фарад на грамм до 1706 Фарад на грамм, более чем в два раза.
«У конденсаторов есть электрическая емкость, она измеряется в фарадах на грамм, — поясняет Анвар Захидов. — Для сравнения: металлический шар размером с Землю обладал бы электрической емкостью в один фарад. А у нас 1706 фарад, потому что идет химическая реакция. Кроме того, графен имеет огромную поверхность, и еще наш аккумулятор медленнее разряжается в процессе работы. Иными словами, устройство ведет себя не как быстроразряжаемый суперконденсатор, который мгновенно разряжается и дает большую мощность, а как обычная батарейка, когда мощность во внешнюю цепь выдается не такая большая, но долгое время. Мы можем долго выдавать энергию за счет окислительно-восстановительного процесса, он более медленный, чем разрядка суперконденсатора, которая длится секунды. Поэтому наш аккумулятор — это не чистый суперконденсатор, а псевдосуперконденсатор за счет использования этих термоэлектрических частиц, и в этом наши батареи тоже уникальны».
В качестве примера ученые приводят вольфрамовую лампу накаливания. Яркая лампочка потребляет 100 ватт. Чтобы она горела целый час, нужен достаточно хороший аккумулятор. Так вот, от килограммового аккумулятора из масок, если там есть наночастицы кальций-кобальт оксида, такая стоваттная лампочка будет гореть два часа. Это становится возможным благодаря очень большой емкости, она примерно на 700 фарад на грамм больше, чем у лучших карбонизированных электродов без добавки графена.
НЕОЖИДАННЫЙ УСПЕХ
Анвар Захидов также рассказал о процессе создания аккумулятора: «Берем маски, дезинфицируем их с помощью ультразвука, чтобы убить вирусы, потом эти маски окунаются в чернила из графена, то есть очень сильно расслоенного графита. Эти чернила пропитывают маску, она из голубой становится черной, и на полимерные волокна, из которых сделаны эти маски, оседают частички графена».
Затем исследователи все это прессуют, прилагая примерно тонну давления, и получается плотный высокопористый электрод. Далее берутся два электрода, между ними кладется прокладка, которая делается из материала той же самой маски, но не пропитанного графеном, изолирующего. Прокладка эта пропитывается особым электролитом, и дальше все это запечатывается в упаковку от лекарства.
«После пропитки наших электродов графеном мы их нагреваем совсем немного, и в этом большое преимущество нашего изобретения, — поясняет Анвар Захидов. — При использовании ныне существующих методов электроды обугливают при очень высокой температуре, 1300 градусов Цельсия. А у нас температура всего 140 градусов, в десять раз ниже, значит, мы тратим энергии на создание таких электродов в десять раз меньше. Такие результаты получились во время экспериментов неожиданно для нас самих».
ТАБЛ.jpg © stimul.online
Оболочками для источников питания, разработанных группой Анвара Захидова, служат упаковки от лекарств, которые применяются при лечении коронавируса. Изображение предоставлено А. Захидовым
КАК ЗАРЯДИТЬ РЮКЗАК
«От полимеров ( к примеру, типа PP, который используется в масках), очень тяжело избавляться, — рассказывает Анвар Захидов, — причем чем лучше полимер, тем сложнее его утилизировать. Поскольку даже оболочку наших аккумуляторов мы делаем из пластиковых упаковок от таблеток, то получается, что весь наш суперконденсатор от начала и до конца изготовлен из медицинских отходов. Только графеновые чернила мы пока покупаем для экспериментов».
Но недавно исследователи в Университете Райса в Техасе под руководством профессора Джеймса Тура показали, что очень дешевый графен высокого качества можно получать из любых полимерных или органических отходов, в том числе медицинских. У них он называется flash-графен — графен, полученный методом вспышки. Они пропускают электрический импульс большой мощности через любые отходы, даже выжимки из кофе, например, и получается графен.
Как говорит Анвар Захидов, аккумуляторы из масок можно использовать в повседневной жизни где угодно, поскольку они тонкие, гибкие и дешевые. Их можно применять в качестве элементов питания для игрушек, музыкальных поздравительных открыток, бытовых устройств, таких как светильники, фонарики, часы.
В создании аккумуляторов группа Захидова пошла дальше и на основе масочной технологии разработала источники питания, которые выглядят как полоска ткани. Они обладают гораздо лучшими показателями, чем таблеточные. В будущем можно делать разные конфигурации в виде полоски ткани, которая вшивается, например, в ковер, или в одежду, или в занавески. Можно и в туристический рюкзак, тогда он будет в походе помогать заряжать телефоны и ноутбуки.
«В наших дальнейших планах, — говорит Анвар Захидов, — увеличить размеры аккумуляторов. Это не так просто, если речь идет об электродах в виде тонкой гибкой ткани. Мы уже доказали, что такие аккумуляторы гораздо лучше, чем таблеточки, но им надо придумывать новую оболочку, упаковки от парацетамола уже не подойдут. Но мы сейчас работаем с заливкой отходного полимера другого типа».
Если сделать батареи большого размера, их можно будет применять в промышленных установках, электромобилях. А в домашних солнечных электростанциях благодаря таким накопителям можно запасать избыточное электричество, которое поступает от солнечных панелей, установленных на крыше.
Алексей Андреев
Хочешь всегда знать и никогда не пропускать лучшие новости о развитии России? У проекта «Сделано у нас» есть Телеграм-канал @sdelanounas_ru. Подпишись, и у тебя всегда будет повод для гордости за Россию.
