随手一丢的廢紙,也能為新能源汽車做出貢獻了。
最近新加坡南洋理工大學(NTU)的科學家們研發出一項新技術,可将廢棄的一次性包裝盒、袋子和紙闆箱等廢紙用來做電池,并且性能還不錯。
研究成果發表在了科學期刊《增材制造》上,他們通過将紙轉化為純碳的碳化工藝,将紙中的纖維轉化為電極。這些電極可用于可充電電池,為手機、醫療設備和電動汽車供電。
來源:NTU
而且這種電極,可以承受普通電極5 倍大的壓力,這種性能對于新能源汽車來說簡直是福音。
關鍵的是,用廢紙做的電池,要比傳統電池更環保,成本也更低。
目前該研究團隊已向南洋理工大學創新和企業公司 NTUitive 申請了專利,他們計劃将這個全新的發明實現商業化落地。
01 重量更輕的紙造電池
在此之前,我們報道過科學家用木頭和蟹殼制造電池,和這些生物電池不同,此次用廢紙制作電池,主要是提取廢紙中的碳纖維當作電池的陽極。
實驗中的紙——來源于一次性包裝紙和紙闆箱——通過特殊的反應将其轉化為純碳,從而将紙張的纖維轉化為锂離子電池的關鍵部件——電極。
研究人員先是将紙碳化(紙糊無疑),把幾張牛皮紙暴露在高溫下,并用激光切割,使其形成不同的幾何形狀。
來源:NTU
然後在沒有氧氣的爐中将紙加熱到 1200°C,使其轉化為碳,這個過程主要是将其還原為可用于生物燃料的純碳、水蒸氣和油。
來源:NTU
因為這個碳化過程是在沒有氧氣的情況下發生的,所以産生的二氧化碳少到可以忽略不計。從廢紙回收的角度來看,比直接燃燒環保的多,可以無污染吸收掉這些廢紙垃圾。
他們經過測試表明,廢紙燃燒後的碳塊,在儲存電量方面比現有的化石燃料石墨制成的碳儲存電量更多,結構強度也是現有碳陽極的 4 倍。
目前陽極占锂離子電池總成本的 10% 至 15%,将這種紙化碳變成電池的陽極,可以明顯減少電池總成本。
而且這種碳陽極,更具耐用性、柔韌性和電化學性能。實驗表明,這種陽極可以充放電達到 1200 次,這至少是手機電池中陽極耐用性的兩倍。這種電池還可以承受比同類電池更多的物理壓力,吸收破碎的能量高達 5 倍。
目前的锂電技術對内部碳電極的依賴性很強,這些在電極在受到物理沖擊時更容易導緻電池的損壞,電池壽命也由此變短,因此該研究團隊的電池所具備的性能更加具有持久性。
來源:NTU
而儲存電能的電池本來應該是化石燃料的工作,有了這項技術,就可以減少對化石燃料的需求,同時降低總成本。在制造過程中還使用了更少的能源密集型工藝和重金屬。
現在電動汽車的兩大龍頭,比亞迪和特斯拉,所使用的電池重量分别是 310KG 和 471KG,具體還要由續航裡程而定,不管怎樣,電動車電池重量普遍在 250 公斤,而紙張紙闆碳化陽極材料會讓整體重量更輕,如果大規模運用在新能源汽車動力電池上,可以減輕整車的重量。
NTU 研究團隊估算,若 50kWh 電池包電芯電極采用紙陽極,整體重量在 100-200KG,而傳統采用碳陽極的電池包則平均重量則在 310KG 左右,重量相差近一倍。
02 環保大于一切
通常情況下,锂離子電池的陽極由天然或合成石墨制成,這比陰極的成本更低。
陰極是電池的正極。當電池放電時,電子和帶正電的分子都從陽極流向陰極,陰極将兩者存儲起來,直到電池再次充電。
從某種程度上來說,陰極有效地決定了電池的性能。比如常見的陰極材料有磷酸鐵锂、锂鎳錳钴、锂鎳钴鋁氧化物,這也導緻陰極材料會比陽極材料更貴,約占電池總成本的 40%-50%。
這也是為什麼,包括特斯拉在内的汽車廠商,開始在陰極上大做文章。
這也導緻電池廠商在陽極方面做的技術創新并不多。
從廢紙轉換成碳陽極的過程中,牛皮紙是主要的材料來源。而牛皮紙袋對環境的殺傷力很大,在生産和焚燒時都具有生态毒性,所以南洋理工大學的這項研究,出發點更像是保護環境。
2020 年在新加坡生産的垃圾中,包括廢棄紙袋、紙闆、報紙和其他紙包裝在内的紙張垃圾占近五分之一。
該項目負責人之一賴昌全教授表示,紙在日常生活中的使用非常廣,同時産出的廢紙垃圾除了焚燒解決,幾乎沒有别的方式,牛皮紙的焚燒更是為環境帶來極大的污染。這種方法能讓牛皮紙重新煥發生機,以滿足對電動汽車和智能手機等設備日益增長的需求。
來源:NTU
前文提到,電動車中的锂電池具有較重的重量, 當一個電動車電池被棄之後, 電池的外殼也會慢慢被腐蝕,重金屬物質會滲入水和土壤之中,造成嚴重的污染。
而廢舊電池數量龐大,就算是以舊換新,廢電池長期暴露在環境之中,導緻重金屬與酸堿等産生電化學反應,加快電解液滲入土壤環境或者地下水中。
眼下正是電動車發展的黃金時間,廢舊電池中的汞、鉛、鎳等重金屬,不管是對人體還是對生态環境都有不同程度的危害。
而這種紙造電池,不僅解決了牛皮紙的回收環保問題,也讓電池重量更低,大大減少了土壤污染的可能性。
賴教授表示,市面上的碳陽極沒辦法被模制成形,整體結構太脆弱,而紙質陽極保留了紙張的纖維狀分子結構,可以承受 4 倍的物理應力。
産生出來的碳塊中,還會提供一種可持續的方式來開發碳泡沫,通常用做錄音室的隔音和防火保護。
來源:網絡
目前該團隊已經向南大的創新和企業公司 NTUitive申請了專利,下一步有望将發明商業化,真正的使用在電動車上。接下來研究團隊将進一步研究,如何忍讓材料的儲能能力更強,并減少紙張轉化為碳所需的熱能。
03 善于廢品再利用的研究團隊
新加坡南京理工大學研究團隊,可以說是對變廢為寶 " 愛的深沉 "。
對于 NTU 研究團隊來說,把廢紙制成電池不是第一次了。2021 年底,他們開發了一種可進行生物降解的 "紙基電池",這種電池的核心是一張纖維素紙,纖維之間的空隙被水凝膠加固,紙張就可以充當兩個電極之間的分隔物。
紙張的正反兩面被絲網覆蓋,用于打印陽極的導電油墨主要由鋅和炭黑組成,陰極油墨則是由錳和鎳打造。
這種紙基電池可以儲存大量電荷,一塊 4 厘米寬、4 厘米長,厚度約 0.4 毫米的紙基電池可以為小型電風扇供電至少 45 分鐘。
而且放在土壤中不會産生任何有毒物質,一個月後便會被土壤中的微生物完全降解。
關于 NTU 的變廢為寶新聞不止這廢紙成為碳陽極一種,早在 2020 年,NTU 就利用水果皮從耗盡電量的锂電池中,提取和回收使用貴重金屬,變廢為寶制作成新電池。
來源:網頁截圖
比如橙皮中含有的纖維素,加熱後轉化為糖,糖分有助回收廢舊電池中的金屬。NTU 表示,橙皮中的天然抗氧化劑如類黃酮 ( flavonoids ) 和酚酸 ( phenolic acids ) ,會加強回收效果,在整個轉化過程中,所産生的固體殘留物是無毒的。
在 2021 年,電子垃圾塑料成為 NTU 研究的對象,在全球每年産生的 5000 萬噸的電子垃圾中,塑料垃圾占據 20%,塑料往往難以回收,NTU 研究小組就做了一個這樣的實驗。
在電子塑料中找到一塊廢棄的電腦鍵盤并進行消毒處理,在鍵帽上培養細胞,研究表明,驗結果發明一周後容器超過 95% 的人體幹細胞依然健康存活,效果與平常在實驗室使用劇苯乙烯塑料培養皿相似。
這樣一來就解決了兩個問題,一是電子塑料的回收利用;二是節省下實驗室的塑料垃圾。
全球每年産生的實驗室垃圾大概有 550 萬噸,包括在試驗過程中産生的塑料垃圾、電子塑料垃圾,這些廢品重新用作實驗室細胞培養,一舉兩得。
目前全球每年全球産生的垃圾在 100 億噸左右,其中有 5740 萬噸是電子廢棄物,這是最難被回收的部分,超八成未被回收利用,廢物回收成為一大問題,NTU 研究團隊也在廢品再利用的路上越走越遠。
本文來自微信公衆号 " 超電實驗室 "(ID:SuperEV-Lab),作者:曹婷婷 ,編輯:在洲