Учёные из Университета Кордовы и Университета Эстремадуры в Испании, а также Центра исследований и разработок передовых материалов в аргентинской провинции Жужуй предложили неожиданный способ использования выброшенных медицинских масок, оставшихся после пандемии COVID-19. Они разработали метод превращения масок в пористый углерод для литий-серных аккумуляторов – одного из наиболее перспективных типов накопителей энергии.
Литий-серные батареи теоретически способны запасать в несколько раз больше энергии, чем современные литий-ионные. Кроме того, сера значительно дешевле и экологичнее кобальта и других дефицитных металлов. Однако широкому внедрению технологии препятствуют два серьёзных недостатка: сера плохо проводит электричество, а образующиеся при работе аккумулятора полисульфиды растворяются в электролите и постепенно выводят активный материал из реакции, снижая ёмкость и срок службы батареи.
Чтобы решить эту проблему, исследователи использовали активированный уголь, полученный из переработанных масок, в качестве пористой «клетки» для серы. Весь процесс состоял всего из двух этапов и не требовал сложных химических активаторов. Сначала маски измельчали и обрабатывали концентрированной серной кислотой, которая превращала полипропиленовую основу в углеродистый остаток. Затем материал нагревали до 800°C в потоке углекислого газа или водяного пара, в результате чего внутри углерода формировалась высокоразвитая система пор различных размеров.
Наиболее эффективным оказался материал, активированный водяным паром. Его удельная площадь поверхности достигла 633 м² на грамм (против 525 м² на грамм у образца, обработанного углекислым газом), и он содержал не только микропоры, но и более крупные мезопоры. Благодаря такой структуре материал одновременно удерживал серу внутри электрода и облегчал движение электролита и ионов лития, от которых зависит производительность батареи.
Когда полученный пористый углерод смешали с серой и нагрели, расплавленная сера заполнила поры материала. Полученный композит использовали для изготовления катодов литий-серных аккумуляторов. Испытания показали, что при относительно невысокой загрузке серы (1,3 мг на квадратный сантиметр) электроды выдавали ёмкость около 1000 мА·ч на грамм и сохраняли более 850 мА·ч на грамм даже после 400 циклов заряда-разряда. Эти показатели превосходят характеристики многих аналогичных материалов биологического происхождения.
Особый интерес представляла работа электродов при высокой загрузке серы – до 8 мг на квадратный сантиметр, что считается одним из ключевых требований для практического применения литий-серных батарей. Ёмкость на единицу площади достигла 5 мА·ч/см², что сопоставимо с характеристиками, необходимыми для современных аккумуляторов электромобилей и систем накопления энергии.
Чтобы понять причины высокой эффективности нового материала, учёные провели дополнительные тесты. В частности, они изучили способность углерода улавливать полисульфиды – соединения, ответственные за деградацию литий-серных батарей. В ходе эксперимента материал, активированный паром, почти полностью удалил полисульфиды из раствора в течение восьми часов. Раствор с образцом, активированным углекислым газом, сохранял жёлтый цвет за тот же период, что указывало на менее эффективное связывание полисульфидов. Иными словами, пористая структура лучше удерживала продукты реакции внутри электрода и предотвращала их миграцию через электролит. Именно этот процесс, известный как шаттл-эффект (челночный эффект), считается одной из основных причин потери ёмкости в литий-серных батареях.
Дополнительные электрохимические измерения показали, что ионы лития быстро перемещаются внутри пористой структуры, что способствует более полному использованию серы и снижает потери энергии при работе батареи.
Отдельно исследователи оценили скорость саморазряда новой батареи – постепенной потери заряда при хранении без использования. Для этого они оставили ячейки бездействующими на неделю, после чего возобновили зарядку и разрядку. Эксперимент длился более семи месяцев. Даже после длительного хранения ячейки сохраняли высокую ёмкость и демонстрировали стабильную работу, что указывает на эффективное удержание активной серы внутри пористой углеродной структуры.
Работа испанских и аргентинских исследователей показала, что медицинские отходы можно использовать не только для утилизации, но и для создания высокоэффективных материалов. Если технологию удастся масштабировать, миллионы выброшенных медицинских масок перестанут быть экологической проблемой и превратятся в источник ценного сырья для аккумуляторов нового поколения.
