口罩废料制成新型电池，能量密度接近锂电池

在全球新冠病毒肆虐的背景下，口罩已成为人们生活的一部分。由于医用口罩属于一次性用品，不可避免地对环境产生了重大负担。最近，科学家的一项最新研究成果将口罩与电池联系在一起，同时为废旧口罩回收和电池供应紧缺两大难题带来了新思路。

俄罗斯国立科技大学(NUST MISIS)的研究人员与来自美国、墨西哥的同事共同开发了一项新技术，可以利用口罩废料来生产具有成本效益的超级电容器电池，电池外壳则由药品吸塑包装制成。相关研究发表在《储能杂志》(Journal of Energy Storage)2022年2月刊。

据了解，超级电容器(supercapacitor)是指介于传统电容器和充电电池之间的一种新型储能装置，它既具有电容器快速充放电的特性，同时又具有电池的储能特性。

据2020年的一项研究统计，在新冠病毒开始流行后，地球上每月使用的口罩多达1300亿个。这些口罩变成了数以百吨的聚合物废料，进入垃圾填埋场、海洋和其他环境，或者在被燃烧时释放出有毒气体。如何有效回收废旧口罩已成为科学家们亟需解决的问题。

如今通过这项新技术，仅需采购石墨烯，就可以将口罩、药品包装等医用废料转化成轻薄、柔性、低成本的新型电池，在一定程度上实现了资源的可循环利用。该团队研究人员表示，使用废品作为原材料大幅降低了电池成本，如果需要的话，甚至可以制造成一次性电池。

与传统的同类产品相比，这种新型电池具有高密度的存储能量和电容量，重量更轻且成本更低。此前，使用类似技术制造的电池能量密度约为每千克10瓦时(Wh/kg)，而这种新型电池的容量已提升至每千克98瓦时。这意味着该电池的能量密度已经接近目前最常见的锂离子电池，后者的能量密度约为每千克100瓦时至265瓦时。

新型电池的制造步骤如下：首先，使用超声波对口罩材料进行消毒，浸入由石墨烯制成的“墨水”中，再在压力下压制材料，并加热到140℃，形成导电“颗粒”作为电池的电极。然后，在由新材料制成的两个电极之间，放置同样由口罩材料制成的绝缘隔层，再经过特殊电解液浸泡。最后，使用药品吸塑包装材料制成的保护壳进行覆盖。

据该校Anvar Zakhidov教授介绍，传统的超级电容器电池需要高达1000-1300℃的温度来进行热解碳酸化，而新技术将能耗降低了10倍。

此外，研究人员通过在电极上加入CaCo氧化物类型的无机钙钛矿纳米粒子进一步改进了电池。此举使电池能量密度又增加了一倍，达到了每千克208瓦时，实现了每克1706法拉的高电容量，明显高于未添加石墨烯的最佳碳化电极的电容量(每克1000法拉)。

其中，性能最好的一版超级电容器电池在经过1500次充放电循环和10小时以上的长时间放电后，仍保持82%的电容量。

此前，研究人员曾尝试使用各种多孔天然材料和废品来制造超级电容器的电极，包括椰子壳、稻壳、报纸废料、汽车轮胎废料等。然而，使用这些材料往往需要在特殊熔炉中进行高温退火(炭化)。由于石墨烯饱和度赋予它们的独特属性，口罩被证明是一种更加便宜且易于加工的材料。

目前，该团队研究出的新型电池可用于时钟、灯具等家用电器。未来，研究人员计划将这项新技术应用于电动汽车、太阳能发电站和其他类型的电池生产。