Các nhà khoa học biến giấy vụn thành các bộ phận pin cho điện thoại thông minh và xe điện
của Đại học Công nghệ Nanyang
Trừu tượng đồ họa. Ảnh: Sản xuất bồi đắp (2022). DOI: 10.1016/j.addma.2022.102992
Các nhà khoa học từ Đại học Công nghệ Nanyang, Singapore (NTU Singapore) đã phát triển một kỹ thuật chuyển đổi giấy thải, từ bao bì và túi sử dụng một lần và hộp các tông, thành một thành phần quan trọng của pin lithium-ion.
Thông qua một quy trình gọi là cacbon hóa chuyển đổi giấy thành cacbon tinh khiết, các nhà nghiên cứu của NTU đã biến các sợi của giấy thành các điện cực, có thể chế tạo thành pin sạc để cung cấp năng lượng cho điện thoại di động, thiết bị y tế và xe điện.
Để cacbon hóa giấy, nhóm nghiên cứu đã cho giấy tiếp xúc với nhiệt độ cao, làm giảm giấy thành cacbon tinh khiết, hơi nước và dầu có thể được sử dụng làm nhiên liệu sinh học. Vì quá trình cacbon hóa diễn ra trong trường hợp không có oxy, quá trình này thải ra một lượng carbon dioxide không đáng kể và quy trình này là một giải pháp thay thế xanh hơn cho việc xử lý giấy kraft thông qua quá trình đốt, tạo ra một lượng lớn khí nhà kính.
Các cực dương carbon do nhóm nghiên cứu sản xuất cũng thể hiện độ bền, tính linh hoạt và các đặc tính điện hóa vượt trội. Các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm cho thấy rằng cực dương có thể được sạc và xả tới 1.200 lần, bền hơn ít nhất gấp đôi so với cực dương trong pin điện thoại hiện tại. Các loại pin sử dụng cực dương do NTU sản xuất cũng có thể chịu được nhiều áp lực vật lý hơn so với các loại pin cùng loại, hấp thụ năng lượng nghiền tốt hơn tới năm lần.
Phương pháp do NTU phát triển cũng sử dụng các quy trình và kim loại nặng ít tốn năng lượng hơn so với các phương pháp công nghiệp hiện tại để sản xuất cực dương của pin. Vì cực dương có giá trị từ 10% đến 15% tổng chi phí của pin lithium-ion nên phương pháp mới nhất này, sử dụng vật liệu phế thải chi phí thấp, dự kiến cũng sẽ giảm chi phí sản xuất chúng.
Các phát hiện đã được công bố trên tạp chí Sản xuất phụ gia vào tháng 10.
Việc sử dụng giấy thải làm nguyên liệu thô để sản xuất cực dương của pin cũng sẽ giúp chúng ta giảm bớt sự phụ thuộc vào các nguồn carbon thông thường, chẳng hạn như chất độn carbon và chất kết dính tạo ra carbon, được khai thác và sau đó được xử lý bằng máy móc và hóa chất khắc nghiệt.
Trợ lý Giáo sư Lai Changquan, từ Trường Kỹ thuật Cơ khí & Hàng không vũ trụ của NTU, nhà khoa học hàng đầu đã phát triển kỹ thuật tạo ra cực dương từ giấy vụn. Tín dụng: NTU Singapore
Chất thải giấy, bao gồm túi giấy đã qua xử lý, bìa cứng, giấy báo và các loại bao bì giấy khác, chiếm gần 1/5 lượng chất thải được tạo ra ở Singapore vào năm 2020.
Túi giấy kraft, chiếm phần lớn rác thải giấy của Singapore, cũng được phát hiện là có tác động môi trường lớn hơn so với các loại túi làm từ bông và nhựa, do đóng góp nhiều hơn vào sự nóng lên toàn cầu khi đốt và khả năng gây độc hại cho môi trường khi sản xuất. họ, một nghiên cứu NTU năm 2020 riêng biệt được tìm thấy.
Sự đổi mới hiện tại mang đến cơ hội tái chế các sản phẩm thải bỏ và giảm sự phụ thuộc của chúng ta vào nhiên liệu hóa thạch, thúc đẩy quá trình chuyển đổi của chúng ta sang nền kinh tế tuần hoàn, vật liệu xanh và năng lượng sạch, phản ánh cam kết của NTU trong việc giảm thiểu tác động của chúng ta đối với môi trường, đây là một trong bốn những thách thức lớn của nhân loại mà Đại học tìm cách giải quyết thông qua kế hoạch chiến lược NTU 2025.
Trợ lý Giáo sư Lai Changquan, từ Trường Kỹ thuật Cơ khí & Hàng không vũ trụ của NTU, người đứng đầu dự án, cho biết: "Giấy được sử dụng trong nhiều khía cạnh trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta, từ gói quà, nghệ thuật và thủ công, cho đến vô số ứng dụng công nghiệp, chẳng hạn như bao bì chịu tải nặng, lớp bọc bảo vệ và lấp đầy các khoảng trống trong xây dựng.Tuy nhiên, rất ít được thực hiện để quản lý nó khi nó được xử lý, ngoài việc đốt, tạo ra lượng khí thải carbon cao do thành phần của chúng.
"Phương pháp của chúng tôi để cung cấp cho giấy kraft một hợp đồng thuê khác, đưa nó vào nhu cầu ngày càng tăng đối với các thiết bị như xe điện và điện thoại thông minh, không chỉ giúp cắt giảm lượng khí thải carbon mà còn giảm bớt sự phụ thuộc vào các phương pháp khai thác và công nghiệp nặng."
Nhóm nghiên cứu đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế với NTUitive, công ty đổi mới và doanh nghiệp của NTU. Họ cũng đang làm việc để thương mại hóa phát minh của mình.
Công thức cho các bộ phận pin xanh hơn
Để tạo ra cực dương carbon, các nhà nghiên cứu của NTU đã tham gia và cắt laser một số tờ giấy kraft mỏng để tạo thành các dạng hình học mạng tinh thể khác nhau, một số giống như một chiếc piñata nhọn. Sau đó, giấy được nung nóng đến 1200°C trong lò nung không có oxy, để chuyển đổi nó thành carbon, tạo thành cực dương.
Nhóm NTU cho rằng độ bền vượt trội, tính linh hoạt và các đặc tính điện hóa của cực dương là do sự sắp xếp của các sợi giấy. Họ cho biết sự kết hợp giữa độ bền và độ bền cơ học được thể hiện bởi các cực dương do NTU sản xuất sẽ cho phép pin của điện thoại, máy tính xách tay và ô tô chịu được các cú sốc tốt hơn khi rơi và va chạm.
Công nghệ pin lithium này dựa vào các điện cực carbon bên trong dần dần bị nứt và vỡ vụn sau các cú sốc vật lý do bị rơi, đây là một trong những lý do chính khiến tuổi thọ của pin ngắn dần theo thời gian.
Các nhà nghiên cứu nói rằng cực dương của họ, cứng hơn các điện cực hiện tại được sử dụng trong pin, sẽ giúp giải quyết vấn đề này và kéo dài tuổi thọ của pin trong nhiều mục đích sử dụng, từ điện tử đến xe điện.
Đồng tác giả của nghiên cứu, ông Lim Guo Yao, một kỹ sư nghiên cứu từ Trường Kỹ thuật Cơ khí & Hàng không vũ trụ của NTU, cho biết: "Các cực dương của chúng tôi thể hiện sự kết hợp của các điểm mạnh, chẳng hạn như độ bền, khả năng hấp thụ sốc, tính dẫn điện, không có trong dòng điện Các đặc tính cấu trúc và chức năng này chứng minh rằng cực dương làm từ giấy kraft của chúng tôi là một giải pháp thay thế bền vững và có thể mở rộng cho các vật liệu carbon hiện tại, đồng thời sẽ tìm thấy giá trị kinh tế trong các ứng dụng đa chức năng, cao cấp, đòi hỏi khắt khe, chẳng hạn như lĩnh vực pin cấu trúc non trẻ. "
Trợ lý giáo sư Lai nói thêm: "Phương pháp của chúng tôi chuyển đổi một loại vật liệu phổ biến và phổ biến—giấy—thành một loại vật liệu khác cực kỳ bền và có nhu cầu cao. Chúng tôi hy vọng rằng các cực dương của chúng tôi sẽ phục vụ nhu cầu ngày càng tăng nhanh chóng của thế giới về một loại vật liệu bền vững và xanh hơn cho pin. sản xuất và quản lý chất thải không phù hợp đã cho thấy có tác động tiêu cực đến môi trường của chúng ta."
Nhấn mạnh tầm quan trọng của công việc do nhóm nghiên cứu NTU thực hiện, Giáo sư Juan Hinestroza từ Khoa Thiết kế lấy con người làm trung tâm của Đại học Cornell, người không tham gia nghiên cứu, cho biết: "Vì giấy kraft được sản xuất với số lượng rất lớn và được xử lý tương tự trên toàn thế giới, tôi tin rằng phương pháp tiếp cận sáng tạo do các nhà nghiên cứu tại NTU Singapore tiên phong có tiềm năng tác động lớn trên quy mô toàn cầu.
"Bất kỳ khám phá nào cho phép sử dụng chất thải làm nguyên liệu thô cho các sản phẩm có giá trị cao như điện cực và bọt thực sự là một đóng góp to lớn. Tôi nghĩ rằng công việc này có thể mở ra một con đường mới và thúc đẩy các nhà nghiên cứu khác tìm ra con đường chuyển đổi các chất nền dựa trên cellulose khác, chẳng hạn như hàng dệt may và vật liệu đóng gói, đang bị loại bỏ với số lượng lớn trên toàn cầu."
Nhóm NTU sẽ tiến hành nghiên cứu sâu hơn để cải thiện khả năng lưu trữ năng lượng của vật liệu của họ và giảm thiểu năng lượng nhiệt cần thiết để chuyển đổi giấy thành carbon.
