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科学家将废纸转化为智能手机和电动汽车的电池部件

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长三角G60激光联盟导读

据悉,新加坡南洋理工大学(NTU Singapore)的科学家开发了一种技术,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。

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 图形摘要。来源:Additive Manufacturing (2022). DOI: 10.1016/j.addma.2022.102992

通过一种称为碳化的过程,将纸张转化为纯碳,NTU研究人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况下发生的,因此排放的二氧化碳量可以忽略不计,并且该过程是通过焚烧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。使用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,吸收破碎能量的能力提高了五倍。

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(A)通过ERASL(片材层压面积指示)技术说明PDACF(纸衍生建筑碳泡沫)增材制造的示意图。最顶层呈现半透明,以显示结构中的闭合细胞腔。(B)板八方桁架结构的单个单元中每层的不同设计。要通过激光去除的部件为黑色。(C)3D CAD模型与实际牛皮纸板八角桁架结构在制造的各个阶段的比较。

与目前制造电池阳极的工业方法相比,NTU开发的方法还使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成本的10%至15%,因此这种使用低成本废料的最新方法也有望降低制造成本。

研究结果发表在十月份的《Additive Manufacturing》杂志上。

使用废纸作为生产电池阳极的原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械加工。

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(上)CAD和(底部)PDACF结构(从左到右)方形蜂窝(方形HC),三角蜂窝(三角形HC),板简单立方体(板SC),板八边形桁架(板OT)和板简单立方体 - 八边形桁架(板SC-OT)几何形状。CAD模型是半透明的,以显示结构中的空隙。比例尺适用于所有PDACF结构,三角形HC除外。

2020年NTU的一项研究发现,与棉和塑料制成的牛皮纸袋相比,牛皮纸袋也被发现具有较大的环境足迹,因为它们在焚烧时对全球变暖的贡献更大,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提供了机会,加速了我们向循环经济,绿色材料和清洁能源的过渡,反映了NTU致力于减轻对环境的影响,这是该大学寻求通过其NTU 2025战略计划解决的四个人类重大挑战之一。

领导该项目的南洋理工大学机械与航空航天工程学院助理教授Lai Changquan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,到无数的工业用途,如重型包装、保护性包装和建筑中的空白填充。然而,除了焚烧之外,在处置时几乎没有采取任何措施来管理它,焚烧由于其成分而产生高水平的碳排放。我们的方法赋予牛皮纸新的生命,将其输送到对电动汽车和智能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。

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 (A)碳化前后牛皮纸和亚克力胶带的顶视图(B)侧视图和(C)横截面SEM图像。(D)碳化纳米纤维素原纤维的放大视图。

打造更环保的电池部件的秘诀

为了生产碳阳极,NTU研究人员加入并激光切割了几张薄的牛皮纸,以形成不同的晶格几何形状,其中一些类似于尖刺的piñata。然后将纸张在没有氧气存在的炉子中加热到1200°C,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械韧性的结合将使手机,笔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。

目前的锂电池技术依赖于内部碳电极,这些碳电极在物理冲击后逐渐破裂和崩溃,这是电池寿命随着时间的推移而缩短的主要原因之一。

研究人员表示,他们的阳极比电池中使用的电流电极更硬,将有助于解决这个问题,并延长电池在从电子产品到电动汽车的广泛用途中的使用寿命。

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工程应力– 在层 (A) 垂直和 (B) 平行于载荷方向的方向上对 PDACF 进行压缩试验的应变响应(即y轴),如插图中的示意图所示。这里描述的数据涉及晶格相对密度为0.5-0.7的结构。立方体的晶格相对密度为1。摄影图像显示了立方体在不同应变水平下的破坏过程。白色虚线表示晶格的顶部边界,其上方只是晶格在压缩压板上的反射。(C)不同放大倍率下失效的PDACF的SEM图像。可以观察到单个纤维的干净刻面边缘,表明它们因脆性断裂而失效。模拟了立方体结构中(D)垂直方向和(E)平行方向的冯米塞斯应力分布。

该研究的共同作者,NTU机械与航空航天工程学院的研究工程师Lim Guo Yao先生说:“我们的阳极显示出耐用性,减震性,导电性等优势的组合,这些优势在当前材料中是没有的。这些结构和功能特性表明,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,并将在要求苛刻的高端多功能应用中找到经济价值,例如新兴的结构电池领域。”

康奈尔大学以人为本的设计系的Juan Hinestroza教授强调了NTU研究团队所做工作的重要性,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人员开创的创造性方法具有在全球范围内产生巨大影响的潜力。”

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。

来源:Exceptional energy absorption characteristics and compressive resilience of functional carbon foams scalably and sustainably derived from additively manufactured kraft paper, Additive Manufacturing (2022). DOI: 10.1016/j.addma.2022.102992


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