行业焦点
“纸糊”电池来了,科学家用废纸造电池,质量轻一半,可承受5倍压力
浏览量:653
这项全新发明正商业化落地
随手一丢的废纸,也能为新能源汽车做出贡献了。
最近新加坡南洋理工大学(NTU)的科学家们研发出一项新技术,可将废弃的一次性包装盒、袋子和纸板箱等废纸用来做电池,并且性能还不错。
研究成果发表在了科学期刊《增材制造》上,他们通过将纸转化为纯碳的碳化工艺,将纸中的纤维转化为电极。这些电极可用于可充电电池,为手机、医疗设备和电动汽车供电。
而且这种电极,可以承受普通电极5倍大的压力,这种性能对于新能源汽车来说简直是福音。
关键的是,用废纸做的电池,要比传统电池更环保,成本也更低。
目前该研究团队已向南洋理工大学创新和企业公司NTUitive申请了专利,他们计划将这个全新的发明实现商业化落地。
01 重量更轻的纸造电池
在此之前,我们报道过科学家用木头和蟹壳制造电池,和这些生物电池不同,此次用废纸制作电池,主要是提取废纸中的碳纤维当作电池的阳极。
实验中的纸——来源于一次性包装纸和纸板箱——通过特殊的反应将其转化为纯碳,从而将纸张的纤维转化为锂离子电池的关键部件——电极。
研究人员先是将纸碳化(纸糊无疑),把几张牛皮纸暴露在高温下,并用激光切割,使其形成不同的几何形状。
然后在没有氧气的炉中将纸加热到1200°C,使其转化为碳,这个过程主要是将其还原为可用于生物燃料的纯碳、水蒸气和油。
因为这个碳化过程是在没有氧气的情况下发生的,所以产生的二氧化碳少到可以忽略不计。从废纸回收的角度来看,比直接燃烧环保的多,可以无污染吸收掉这些废纸垃圾。
他们经过测试表明,废纸燃烧后的碳块,在储存电量方面比现有的化石燃料石墨制成的碳储存电量更多,结构强度也是现有碳阳极的4倍。
目前阳极占锂离子电池总成本的10%至15%,将这种纸化碳变成电池的阳极,可以明显减少电池总成本。
而且这种碳阳极,更具耐用性、柔韧性和电化学性能。实验表明,这种阳极可以充放电达到1200次,这至少是手机电池中阳极耐用性的两倍。这种电池还可以承受比同类电池更多的物理压力,吸收破碎的能量高达5倍。
目前的锂电技术对内部碳电极的依赖性很强,这些在电极在受到物理冲击时更容易导致电池的损坏,电池寿命也由此变短,因此该研究团队的电池所具备的性能更加具有持久性。
而储存电能的电池本来应该是化石燃料的工作,有了这项技术,就可以减少对化石燃料的需求,同时降低总成本。在制造过程中还使用了更少的能源密集型工艺和重金属。
现在电动汽车的两大龙头,比亚迪和特斯拉,所使用的电池重量分别是310KG和471KG,具体还要由续航里程而定,不管怎样,电动车电池重量普遍在250公斤,而纸张纸板碳化阳极材料会让整体重量更轻,如果大规模运用在新能源汽车动力电池上,可以减轻整车的重量。
NTU研究团队估算,若50kWh电池包电芯电极采用纸阳极,整体重量在100-200KG,而传统采用碳阳极的电池包则平均重量则在310KG左右,重量相差近一倍。
02 环保大于一切
通常情况下,锂离子电池的阳极由天然或合成石墨制成,这比阴极的成本更低。
阴极是电池的正极。当电池放电时,电子和带正电的分子都从阳极流向阴极,阴极将两者存储起来,直到电池再次充电。
从某种程度上来说,阴极有效地决定了电池的性能。比如常见的阴极材料有磷酸铁锂、锂镍锰钴、锂镍钴铝氧化物,这也导致阴极材料会比阳极材料更贵,约占电池总成本的40%-50%。
这也是为什么,包括特斯拉在内的汽车厂商,开始在阴极上大做文章。
这也导致电池厂商在阳极方面做的技术创新并不多。
从废纸转换成碳阳极的过程中,牛皮纸是主要的材料来源。而牛皮纸袋对环境的杀伤力很大,在生产和焚烧时都具有生态毒性,所以南洋理工大学的这项研究,出发点更像是保护环境。
2020年在新加坡生产的垃圾中,包括废弃纸袋、纸板、报纸和其他纸包装在内的纸张垃圾占近五分之一。
该项目负责人之一赖昌全教授表示,纸在日常生活中的使用非常广,同时产出的废纸垃圾除了焚烧解决,几乎没有别的方式,牛皮纸的焚烧更是为环境带来极大的污染。这种方法能让牛皮纸重新焕发生机,以满足对电动汽车和智能手机等设备日益增长的需求。
前文提到,电动车中的锂电池具有较重的重量, 当一个电动车电池被弃之后, 电池的外壳也会慢慢被腐蚀,重金属物质会渗入水和土壤之中,造成严重的污染。
而废旧电池数量庞大,就算是以旧换新,废电池长期暴露在环境之中,导致重金属与酸碱等产生电化学反应,加快电解液渗入土壤环境或者地下水中。
眼下正是电动车发展的黄金时间,废旧电池中的汞、铅、镍等重金属,不管是对人体还是对生态环境都有不同程度的危害。
而这种纸造电池,不仅解决了牛皮纸的回收环保问题,也让电池重量更低,大大减少了土壤污染的可能性。
赖教授表示,市面上的碳阳极没办法被模制成形,整体结构太脆弱,而纸质阳极保留了纸张的纤维状分子结构,可以承受4倍的物理应力。
产生出来的碳块中,还会提供一种可持续的方式来开发碳泡沫,通常用做录音室的隔音和防火保护。
目前该团队已经向南大的创新和企业公司NTUitive申请了专利,下一步有望将发明商业化,真正的使用在电动车上。接下来研究团队将进一步研究,如何忍让材料的储能能力更强,并减少纸张转化为碳所需的热能。
03 善于废品再利用的研究团队
新加坡南京理工大学研究团队,可以说是对变废为宝“爱的深沉”。
对于NTU研究团队来说,把废纸制成电池不是次了。2021年底,他们开发了一种可进行生物降解的“纸基电池”,这种电池的核心是一张纤维素纸,纤维之间的空隙被水凝胶加固,纸张就可以充当两个电极之间的分隔物。
纸张的正反两面被丝网覆盖,用于打印阳极的导电油墨主要由锌和炭黑组成,阴极油墨则是由锰和镍打造。
这种纸基电池可以储存大量电荷,一块4厘米宽、4厘米长,厚度约0.4 毫米的纸基电池可以为小型电风扇供电至少45分钟。
而且放在土壤中不会产生任何有毒物质,一个月后便会被土壤中的微生物完全降解。
关于NTU的变废为宝新闻不止这废纸成为碳阳极一种,早在2020年,NTU就利用水果皮从耗尽电量的锂电池中,提取和回收使用贵重金属,变废为宝制作成新电池。
比如橙皮中含有的纤维素,加热后转化为糖,糖分有助回收废旧电池中的金属。NTU表示,橙皮中的天然抗氧化剂如类黄酮(flavonoids)和酚酸(phenolic acids),会加强回收效果,在整个转化过程中,所产生的固体残留物是无毒的。
在2021年,电子垃圾塑料成为NTU研究的对象,在全球每年产生的5000万吨的电子垃圾中,塑料垃圾占据20%,塑料往往难以回收,NTU研究小组就做了一个这样的实验。
在电子塑料中找到一块废弃的电脑键盘并进行消毒处理,在键帽上培养细胞,研究表明,验结果发明一周后容器超过95%的人体干细胞依然健康存活,效果与平常在实验室使用剧苯乙烯塑料培养皿相似。
这样一来就解决了两个问题,一是电子塑料的回收利用;二是节省下实验室的塑料垃圾。
全球每年产生的实验室垃圾大概有550万吨,包括在试验过程中产生的塑料垃圾、电子塑料垃圾,这些废品重新用作实验室细胞培养,一举两得。
目前全球每年全球产生的垃圾在100亿吨左右,其中有5740万吨是电子废弃物,这是最难被回收的部分,超八成未被回收利用,废物回收成为一大问题,NTU研究团队也在废品再利用的路上越走越远。
本文来自微信公众号“超电实验室”(ID:SuperEV-Lab),作者:曹婷婷 ,编辑:在洲,36氪经授权发布。