科学家将废纸转化为智好手机和电动汽车的电池部件

图形择要。
来源：增材制造

新加坡南洋理工大学（NTU Singapore）的科学家开拓了一种技能，将废纸从一次性包装和袋子以及纸板箱转化为锂离子电池的关键部件。

通过一种称为碳化的过程，将纸张转化为纯碳，NTU研究职员将纸张的纤维转化为电极，可以制成可充电电池，为手机，医疗设备和电动汽车供电。

为了使纸张碳化，研究小组将纸张暴露在高温下，将其还原为可用于生物燃料的纯碳，水蒸气和油。
由于碳化是在没有氧气的情形下发生的，因此排放的二氧化碳量可以忽略不计，并且该过程是通过点火处理牛皮纸的更环保的替代方案，会产生大量的温室气体。

研究团队生产的碳阳极也表现出卓越的耐久性、柔韧性和电化学性能。
实验室测试表明，阳极可以充电和放电多达1，200次，这至少是当前手机电池中阳极的两倍。
利用NTU制造的阳极的电池也可以承受比同类电池更多的物理压力，接管破碎能量的能力提高了五倍。

与目前制造电池阳极的工业方法比较，NTU开拓的方法还利用较少的能源密集型工艺和重金属。
由于阳极占锂离子电池总本钱的10%至15%，因此这种利用低本钱废物的最新方法也有望降落制造本钱。

研究结果揭橥在十月份的《增材制造》杂志上。

利用废纸作为生产电池阳极的质料也将减轻我们对传统碳来源的依赖，例如碳质填料和产碳粘合剂，这些材料被开采并随后用刺激性化学品和机器加工。

来自南洋理工大学机器与航空航天工程学院的助理教授赖昌泉是开拓用废纸制造阳极的技能的首席科学家。
来源：NTU 新加坡

废纸，包括废弃纸袋纸板、报纸和其他纸包装，占 2020 年新加坡产生的废纸的近五分之一。

2020年NTU的一项研究创造，与棉和塑料制成的牛皮纸袋比较，牛皮纸袋也被创造具有较大的环境足迹，由于它们在点火时对环球变暖的贡献更大，并且产生它们的生态毒性潜力。

当前的创新为升级回收废物和减少对化石燃料的依赖供应了机会，加速了我们向循环经济，绿色材料和清洁能源的过渡，反响了NTU致力于减轻对环境的影响，这是该大学寻求通过其NTU 2025计策操持办理的四个人类重大寻衅之一。

领导该项目的南洋理工大学机器与航空航天工程学院助理教授赖长泉说：“纸张用于我们日常生活中的许多方面，从礼品包装和工艺品，到无数的工业用场，如重型包装、保护性包装和建筑中的空缺添补。
然而，除了点火之外，在处置时险些没有采纳任何方法来管理它，点火由于其身分而产生高水平的碳排放。

“我们的方法授予牛皮纸新的生命，将其运送到对电动汽车和智好手机等设备日益增长的需求中，不仅有助于减少碳排放，而且还将减轻对采矿和重工业方法的依赖。

该研究团队已向NTU的创新和企业公司NTUitive申请了专利。
他们还在努力将他们的发明商业化。

打造更环保的电池部件的窍门

为了生产碳阳极，NTU研究职员加入并激光切割了几张薄的牛皮纸，以形身分歧的晶格几何形状，个中一些类似于尖刺的piata。
然后将纸张在没有氧气存在的炉子中加热到1200C，将其转化为碳，形成阳极。

NTU团队将阳极的卓越耐用性，柔韧性和电化学性能归因于纸纤维的排列。
他们表示，NTU制造的阳极所显示的强度和机器韧性的结合将使手机，条记本电脑和汽车的电池能够更好地承受跌落和碰撞的冲击。

目前的锂电池技能依赖于内部碳电极，这些碳电极在物理冲击后逐渐分裂和崩溃，这是电池寿命随着韶光的推移而缩短的紧张缘故原由之一。

研究职员表示，他们的阳极比电池中利用的电流电极更硬，将有助于办理这个问题，并延长电池在从电子产品到电动汽车的广泛用场中的利用寿命。

该研究的共同作者，NTU机器与航空航天工程学院的研究工程师Lim Guo Yao师长西席说：“我们的阳极显示出耐用性，减震性，导电性等上风的组合，这些上风在当前材料中是没有的。
这些构造和功能特性表明，我们的牛皮纸基阳极是当前碳材料的可持续和可扩展替代品，并将在哀求苛刻的高端多功能运用中找到经济代价，例如新兴的构造电池领域。

黎助理教授补充说：“我们的方法将一种常见且无处不在的材料 - 纸张 - 转化为另一种非常耐用和高需求的材料。
我们希望我们的阳极能够知足天下对可持续和更环保的电池材料快速增长的需求，电池的制造和不当的废物管理已被证明对我们的环境产生了负面影响。

康奈尔大学以人为本的设计系的Juan Hinestroza教授强调了NTU研究团队所做事情的主要性，他说：“由于牛皮纸的生产量非常大，并且在世界各地也同样处理，我相信新加坡南洋理工大学研究职员首创的创造性方法具有在环球范围内产生巨大影响的潜力。

“任何许可利用废物作为电极和泡沫等高代价产品的原材料的创造确实是一个很大的贡献。
我认为这项事情可能会开辟一条新的路子，并勉励其他研究职员探求转化其他纤维素基材的路子，例如纺织品和包装材料，这些基材正在环球范围内被大量丢弃。

NTU团队将进行进一步的研究，以提高其材料的储能能力，并最大限度地减少将纸张转化为碳所需的热能。

更多信息：张全来等，增材制造牛皮纸的功能性泡沫碳的卓越吸能特性和抗压弹性，增材制造（2022）。
DOI： 10.1016/j.addma.2022.102992