Paperijätteellä, joka koostuu hävitetyistä paperipusseista, pahvista, sanomalehdestä ja muista paperipakkauksista, on suuri ympäristöjalanjälki verrattuna puuvillasta ja muovista valmistettuihin vastaaviin. Ne edistävät dramaattisesti ilmaston lämpenemistä poltettaessa ja niiden valmistuksen ekomyrkyllisyyttä.
Tutkijat Nanyangin teknillinen yliopisto, Singapore (NTU Singapore) ovat kehittäneet tekniikan, jolla jätepaperi muunnetaan kertakäyttöpakkauksista, pusseista ja pahvilaatikoista tärkeäksi osaksi litium-ioni-akut.
Nykyinen innovaatio, joka tarjoaa mahdollisuuden kierrättää jätetuotteita ja vähentää riippuvuuttamme fossiiliset polttoaineet samalla kun nopeutamme siirtymistämme kiertotalouteen, vihreisiin materiaaleihin ja puhtaaseen energiaan, se heijastaa NTU:n omistautumista ympäristövaikutusten minimoimiseen, joka on yksi neljästä ihmiskunnan kohtaamasta suuresta haasteesta, joihin yliopisto pyrkii vastaamaan NTU 2025 -strategiasuunnitelmallaan.
Tutkijat käyttivät prosessia, jota kutsutaan hiilihapotukseksi, muuttaakseen paperin puhtaaksi hiileksi. Prosessin avulla he muuttivat Paperin kuidut elektrodeiksi, joista voidaan tehdä ladattavia akkuja, jotka toimivat matkapuhelimissa, lääketieteellisissä laitteissa ja sähköajoneuvoissa.
Sitten tutkijat hiilenivät paperin altistamalla ne korkeille lämpötiloille. Tämä pelkistää sen puhtaaksi hiileksi, vesihöyryksi ja öljyiksi, joita voidaan käyttää biopolttoaine. Koska hiiltyminen tapahtuu ilman happea ja tuottaa vain vähän hiilidioksidia, se on ympäristöystävällisempi menetelmä voimapaperin hävittämiseksi kuin poltto, josta vapautuu monia kasvihuonekaasuja.
Tutkimusryhmän hiilianodit osoittivat myös parempaa sitkeyttä, mukautumiskykyä ja sähkökemiallisia ominaisuuksia. Laboratoriotutkimusten mukaan anodit ovat vähintään kaksi kertaa kestävämpiä kuin nykyisten puhelinten akut ja kestävät 1,200 XNUMX latausta ja purkausta. NTU:n tuottamat anodipohjaiset akut kestivät fyysistä rasitusta paremmin kuin kilpailijansa, ja ne imevät jopa viisi kertaa paremmin murskausenergiaa.
Lisäksi äskettäin kehitetty menetelmä on vähemmän energiaintensiivinen. Se käyttää edullisia jätemateriaaleja, ja sen odotetaan myös laskevan niiden valmistuskustannuksia.
Projektia johtanut apulaisprofessori Lai Changquan NTU:n mekaanisen ja ilmailutekniikan korkeakoulusta sanoi: ”Paperia käytetään jokapäiväisessä elämässämme monilla eri puolilla, lahjapaketeista ja taiteesta ja käsityöstä lukemattomiin teollisiin käyttötarkoituksiin, kuten raskaaseen pakkaukseen, suojakääreeseen ja rakennustöiden täyttöön. Sen hallintaan tehdään kuitenkin vain vähän, kun se hävitetään polton lisäksi, mikä aiheuttaa koostumuksensa vuoksi suuria hiilidioksidipäästöjä. Menetelmämme antaa voimapaperille uusi henki, ohjaamalla se sähköajoneuvojen ja älypuhelimien kaltaisten laitteiden kasvavaan tarpeeseen, auttaisi vähentämään hiilidioksidipäästöjä ja helpottamaan riippuvuutta kaivos- ja raskaan teollisuuden menetelmistä.
NTU:n tutkijat yhdistivät ja laserleikkasivat useita ohuita voimapaperiarkkeja luodakseen erilaisia hilatopologioita, joista osa muistutti piikkipiata, hiilianodien luomiseksi. Paperi poltettiin sitten 1200 celsiusasteeseen hapettomassa uunissa sen muuttamiseksi hiileksi, jolloin tehtiin anodit.
Tutkimuksen toinen kirjoittaja Lim Guo Yao, tutkimusinsinööri NTU:n School of Mechanical & Aerospace Engineeringistä, sanoi: ”Anodeissamme oli yhdistelmä vahvuuksia, kuten kestävyys, iskunvaimennus ja sähkönjohtavuus, joita ei löydy nykyisistä materiaaleista. Nämä rakenteelliset ja toiminnalliset ominaisuudet osoittavat, että voimapaperipohjaiset anodimme ovat kestävä ja skaalautuva vaihtoehto nykyisille hiilimateriaaleille ja niillä olisi taloudellista arvoa vaativissa, huippuluokan ja monitoimisovelluksissa, kuten syntyvällä rakenneakkujen alalla.
Projektia johtanut apulaisprofessori Lai Changquan NTU:n mekaanisen ja ilmailutekniikan korkeakoulusta sanoi: ”Menetelmämme muuntaa yleisen ja kaikkialla esiintyvän materiaalin – paperin – toiseksi erittäin kestäväksi ja suuren kysynnän vaativaksi materiaaliksi. Toivomme, että anodimme palvelevat maailman nopeasti kasvavaa tarvetta kestävälle ja vihreämmälle akkumateriaalille, jonka valmistuksen ja väärän jätehuollon on todettu vaikuttavan kielteisesti ympäristöömme.
Kornoittaa NTU:n tutkimusryhmän tekemän työn merkitystä, professori Juan Hinestroza Cornellin yliopiston ihmiskeskeisen suunnittelun osastolta, joka ei ollut mukana tutkimuksessa, sanoi: "Koska voimapaperia valmistetaan erittäin suuria määriä ja samoin hävitetään kaikkialla maailmassa, uskon NTU Singaporen tutkijoiden pioneerien luovalla lähestymistavalla olevan suuret mahdollisuudet vaikuttaa maailmanlaajuisesti. Kaikki löydöt, jotka mahdollistavat jätteen käytön arvokkaiden tuotteiden, kuten elektrodien ja vaahtojen, raaka-aineena, ovat todellakin suuri panos. Uskon, että tämä työ voi avata uuden tien ja motivoida muita tutkijoita löytämään polkuja muiden selluloosapohjaisten substraattien, kuten tekstiilien ja pakkausmateriaalien, muuntamiseen, joita heitetään pois suuria määriä ympäri maailmaa.
Lehden viite:
- Chang Quan Lai, Guo Yao Lim, Kai Jie Tai, Kang Jueh Dominic Lim, Linghui Yu, Pawan K. Kanaujia, Peiyuan Ian Seetoh. Lisäaineella valmistetusta voimapaperista skaalautuvasti ja kestävästi johdettujen funktionaalisten hiilivaahtojen poikkeukselliset energian absorptio-ominaisuudet ja puristuskestävyys. Lisäaineiden valmistus, 2022; 58: 102992 DOI: 10.1016/j.addma.2022.102992
