Ученые из Университетов Кордовы и Эстремадуры в Испании, а также Центра исследований и разработки современных материалов провинции Жужуй в Аргентине нашли неожиданное применение использованным медицинским маскам, оставшимся после пандемии COVID-19. Они предложили превращать их в пористый углерод для литий-серных батарей – одного из наиболее перспективных типов накопителей энергии будущего. Эти батареи теоретически способны запасать в несколько раз больше энергии, чем современные литий-ионные аккумуляторы, а используемая в них сера значительно дешевле и экологичнее кобальта и других дефицитных металлов. Однако широкому внедрению технологии пока мешают два серьезных недостатка: сера плохо проводит электричество, а образующиеся во время работы аккумулятора полисульфиды растворяются в электролите и постепенно выводят активное вещество из реакции, снижая емкость и срок службы батареи.
Для решения этой проблемы исследователи использовали активированный углерод, полученный из переработанных масок, в качестве своеобразной пористой «клетки» для серы. Весь процесс состоял всего из двух этапов и не требовал применения сложных химических активаторов. Сначала маски измельчили и обработали концентрированной серной кислотой, которая превратила полипропиленовую основу в углеродистый остаток. Затем материал нагрели до 800°C в потоке углекислого газа или водяного пара. В результате внутри углерода сформировалась развитая система пор различных размеров.
Наиболее эффективным оказался материал, активированный водяным паром. Его удельная поверхность достигала 633 м² на грамм против 525 м² на грамм у образца, обработанного углекислым газом. При этом он содержал не только микропоры, но и более крупные мезопоры. Благодаря такой структуре материал одновременно удерживал серу внутри электрода и облегчал перемещение электролита и ионов лития, от которых зависит работа аккумулятора.
Когда полученный пористый углерод смешали с серой и нагрели, расплавленная сера заполнила поры материала. Из полученного композита изготовили катоды для литий-серных батарей. Испытания показали, что при сравнительно небольшой нагрузке (1,3 мг серы на квадратный сантиметр) электроды обеспечивали емкость около 1000 мА·ч на грамм и сохраняли более 850 мА·ч на грамм даже после 400 циклов зарядки и разрядки. Эти показатели выше, чем у многих аналогичных материалов, полученных из биомассы.
Отдельный интерес представляла работа электродов при высоких нагрузках серы – до 8 мг на квадратный сантиметр, что считается одним из ключевых условий для практического применения литий-серных аккумуляторов. Емкость на единицу площади достигала 5 мА·ч/см². Это значение сопоставимо с характеристиками, которых требуют перспективные аккумуляторы для электротранспорта и систем хранения энергии.
Чтобы понять причины высокой эффективности нового материала, ученые провели дополнительные испытания. В частности, они проверили способность углерода удерживать полисульфиды – соединения, ответственные за деградацию литий-серных батарей. В ходе эксперимента материал, активированный водяным паром, практически полностью удалил полисульфиды из раствора за восемь часов. В растворе с образцом, активированным углекислым газом, желтая окраска за это время сохранялась, что указывает на менее эффективное связывание полисульфидов. То есть пористая структура лучше удерживала продукты реакции внутри электрода и препятствовала их миграции через электролит. Именно этот процесс, известный как челночный эффект, считается одной из главных причин потери емкости в литий-серных аккумуляторах.
Дополнительные электрохимические измерения показали, что ионы лития быстро перемещаются внутри пористой структуры. Это способствует более полному использованию серы и снижает потери энергии при работе аккумулятора.
Отдельно ученые оценили устойчивость новых аккумуляторов к саморазряду – постепенной потере заряда во время хранения без использования. Для этого элементы оставляли без работы на неделю, после чего вновь запускали циклы зарядки и разрядки Эксперимент продолжался более семи месяцев. Даже после длительного хранения элементы сохраняли высокую емкость и демонстрировали стабильную работу, что свидетельствует об эффективном удержании активной серы внутри пористой углеродной структуры.
В целом работа испанских и аргентинских исследователей показала, что медицинские отходы могут использоваться не только для переработки, но и для создания высокоэффективных материалов. Если технологию удастся масштабировать, миллионы использованных медицинских масок смогут превратиться из экологической проблемы в источник ценного сырья для аккумуляторов нового поколения.
