Эмнэлгийн маскийг батарейн материал болгоно

Испанийн Кордова их сургууль (University of Córdoba), Экстремадурын их сургууль (University of Extremadura), Аргентины Жужуй мужийн Дэвшилтэт материалын судалгаа, хөгжлийн төвийн эрдэмтэд Ковид-19 цар тахлын дараа хаягдсан эмнэлгийн маскийг дахин ашиглах нэгэн сонирхолтой аргыг олжээ. Эрдэмтэд маскийг лити-хүхрийн батарейн сүвэрхэг нүүрстөрөгч болгон хувиргах аргыг боловсруулсан бөгөөд энэ цаашид хамгийн ирээдүйтэй эрчим хүч хадгалах төрлүүдийн нэг болох юм.  Лити-хүхрийн батарей нь онолын хувьд орчин үеийн лити-ион батарейгаас олон дахин их эрчим хүчийг хадгалах чадвартайбөгөөд тэдгээрт ашигласан хүхэр нь кобальт болон бусад ховор металлаас хамаагүй хямд төдийгүй байгаль орчинд ээлтэй байдаг. Гэвч уг технологийг өргөн хүрээнд нэвтрүүлэхэд хүхэр нь цахилгаан дамжуулах чадвар муутай, батарейн ажиллагааны явцад үүссэн полисульфид нь электролитэд уусаж, идэвхтэй материалыг урвалаас аажмаар зайлуулж, батарейн багтаамж, хүчин чадал, ашиглалтын хугацааг бууруулах дутагдалтай талтай.

Уг асуудлыг шийдэхийн тулд судлаачид дахин боловсруулсан эмнэлгийн маскаас гаргаж авсан идэвхжүүлсэн нүүрсийг хүхрийн нэг төрлийн сүвэрхэг "тор" болгон ашигласан. Энэхүү үйл явц нь 2 үе шаттай бөгөөд нарийн төвөгтэй химийн идэвхжүүлэгч ашиглах шаардлагагүй аж. Эхлээд эмнэлгийн маскийг нунтаглаж, баяжуулсан хүхрийн хүчлээр боловсруулах ба энэ нь полипропилен суурийг нүүрстөрөгчийн үлдэгдэл болгон хувиргана. Дараа нь материалыг нүүрстөрөгчийн давхар исэл эсвэл усны уурын урсгалд 800°C хүртэл халааж, нүүрстөрөгчийн дотор төрөл бүрийн хэмжээтэй нүх сүвний системийг үүсгэнэ. Усны уураар идэвхжүүлсэн материал хамгийн үр дүнтэй болох нь батлагдсан бөгөөд гадаргуугийн талбай нь нэг грамм тутамд 633 м² хүрч (нүүрстөрөгчийн давхар ислээр боловсруулсан дээжийн хувьд нэг грамм тутамд 525 м²-ийн эсрэг), зөвхөн микро нүх сүв төдийгүй том мезо нүх сүвийг агуулсан байжээ. Энэхүү бүтэц нь материалыг электрод дотор хүхрийг нэгэн зэрэг хадгалах, батарейн ажиллагаанд зайлшгүй шаардлагатай электролит болон литийн ионуудын хөдөлгөөнийг хөнгөвчлөх боломжийг олгодог. Үүссэн нүх сүвтэй нүүрстөрөгчийг хүхэртэй хольж, халаахад хайлсан хүхэр нь материалын нүх сүвийг дүүргэсэн. Үүссэн нийлмэлийг литийн хүхрийн батарейн катод үйлдвэрлэхэд ашигласан. Туршилтаар харьцангуй бага ачаалалтай үед (квадрат сантиметр тутамд 1.3 мг) электродууд нь грамм тутамд ойролцоогоор 1000 мА.цаг, 400 цэнэглэх-цэнэггүйжүүлэх циклийн дараа ч грамм тутамд 850 мА.цагаас дээш багтаамжтай байсан нь тогтоогджээ. Эдгээр үзүүлэлт нь биомассаас гаргаж авсан олон ижил төстэй материалын үзүүлэлтүүдээс давсан байна. Лити-хүхрийн батарейг практик хэрэглээнд гол шаардлага гэж үздэг квадрат сантиметр тутамд 8 мг хүртэлх хүхрийн ачаалалтай үед электродын гүйцэтгэл онцгой анхаарал татаж байв. Нэгж талбай дахь багтаамж нь 5 мА цаг/см² хүрсэн нь орчин үеийн цахилгаан тээврийн хэрэгслийн батарей болон эрчим хүч хадгалах системд шаарддагдах гүйцэтгэлтэй харьцуулахаар байна. Шинэ материалын өндөр үр ашгийн шалтгааныг ойлгохын тулд эрдэмтэд нэмэлт туршилт явуулсан. Тодруулбал, нүүрстөрөгч нь лити-хүхрийн батарейг задалдаг нэгдлүүд болох полисульфидийг цэвэрлэх чадварыг судалсан бөгөөд туршилтын явцад уураар идэвхжүүлсэн материал нь полисульфидийг 8 цагийн дотор уусмалаас бараг бүрэн арилгасан байна. Нүүрстөрөгчийн давхар ислээр идэвхжүүлсэн дээж агуулсан уусмал нь мөн хугацаанд шар өнгөө хадгалсан нь полисульфидын холболтын үр ашиг бага байгааг харуулжээ. Өөрөөр хэлбэл, сүвэрхэг бүтэц нь электрод доторх урвалын бүтээгдэхүүнийг илүү сайн хадгалж, электролитоор дамжин шилжихээс сэргийлсэн байна. Яг энэ үйл явцыг лити-хүхрийн батерейны багтаамж алдагдах гол шалтгаануудын нэг гэж үздэг. Нэмэлт электрохимийн хэмжилтүүдээс харахад литийн ионууд нь сүвэрхэг бүтэц дотор хурдан хөдөлж, хүхрийн илүү бүрэн ашиглахыг дэмжиж, батарейн ажиллагааны явцад эрчим хүчний алдагдлыг бууруулдаг болохыг харуулсан. Судлаачид шинэ батарейн өөрөө цэнэггүй болох хурдыг тусад нь үнэлэхэд ашиглаагүй үед хадгалах явцад аажмаар цэнэгээ алдаж байжээ. Үүний тулд тэд батарейг 7 хоногийн турш идэвхгүй байлгаж, дараа нь цэнэглэх, цэнэггүйжүүлэх ажлыг дахин эхлүүлсэн байна. Туршилтыг 7 сар гаруй  хугацаанд хийсэн. Удаан хадгалалтын дараа ч батарей өндөр багтаамжийг хадгалж, тогтвортой ажиллагааг харуулсан нь сүвэрхэг нүүрстөрөгчийн бүтцэд идэвхтэй хүхрийг үр дүнтэй хадгалж байгааг харуулж байна. Испани, Аргентины судлаачдын энэхүү ажил нь эмнэлгийн хаягдлыг зөвхөн дахин боловсруулахад төдийгүй өндөр үр ашигтай материал үйлдвэрлэхэд ашиглаж болохыг харуулсан. Хэрэв энэ технологийг илүү хөгжүүлж, нэвтрүүлж чадвал хаягдсан олон сая эмнэлгийн маск нь байгаль орчны асуудал байхаа больж, ирээдүйн батарейн үнэтэй түүхий эдийн эх үүсвэр болох юм.

Эх сурвалж: https://globalenergyprize.org/