Transformer les vieux papiers en un composant crucial des batteries lithium-ion

Les déchets de papier, qui comprennent les sacs en papier, le carton, les journaux et autres emballages en papier jetés, ont une empreinte environnementale importante par rapport à leurs homologues en coton et en plastique. Ils contribuent considérablement au réchauffement climatique lorsqu'ils sont incinérés et au potentiel d'écotoxicité de leur production.

Les scientifiques de Université technologique de Nanyang, Singapour (NTU Singapour) ont mis au point une technique pour convertir les déchets de papier provenant d'emballages, de sacs et de boîtes en carton à usage unique en un élément crucial de batteries lithium-ion.

L'innovation actuelle, qui offre la possibilité de recycler les déchets et de réduire notre dépendance à l'égard combustibles fossiles tout en accélérant notre transition vers une économie circulaire, des matériaux verts et une énergie propre, reflète l'engagement de NTU à minimiser notre impact sur l'environnement, l'un des quatre grands défis auxquels l'humanité est confrontée et que l'Université cherche à relever dans le cadre de son plan stratégique NTU 2025.

Les scientifiques ont utilisé un processus appelé carbonisation pour convertir le papier en carbone pur. En utilisant le processus, ils ont transformé les fibres du papier en électrodes, qui peuvent être transformées en batteries rechargeables qui alimentent les téléphones portables, les équipements médicaux et les véhicules électriques.

Les scientifiques ont ensuite carbonisé le papier en les exposant à des températures élevées. Cela le réduit au carbone pur, à la vapeur d'eau et aux huiles qui peuvent être utilisées pour biocarburants. Comme la carbonisation se produit en l'absence d'oxygène et produit un minimum de dioxyde de carbone, il s'agit d'une méthode d'élimination plus respectueuse de l'environnement pour le papier kraft que l'incinération, qui libère de nombreuses gaz à effet de serre.

Les anodes en carbone de l'équipe de recherche ont également montré une ténacité, une adaptabilité et des qualités électrochimiques améliorées. Selon des études en laboratoire, les anodes sont au moins deux fois plus robustes que celles des batteries de téléphone actuelles et peuvent supporter 1,200 XNUMX charges et décharges. Les batteries à base d'anode produites par NTU pourraient mieux tolérer les contraintes physiques que leurs rivales, absorbant jusqu'à cinq fois mieux l'énergie de broyage.

De plus, la méthode nouvellement développée est moins énergivore. Il utilise des déchets à faible coût et devrait également réduire le coût de leur fabrication.

Le professeur adjoint Lai Changquan, de la School of Mechanical & Aerospace Engineering de NTU, qui a dirigé le projet, a déclaré : « Le papier est utilisé dans de nombreuses facettes de notre vie quotidienne, de l'emballage cadeau et de l'artisanat, à une myriade d'utilisations industrielles, telles que les emballages lourds, les emballages protecteurs et le remplissage des vides dans la construction. Cependant, peu est fait pour le gérer lors de son élimination en dehors de l'incinération, qui génère des niveaux élevés d'émissions de carbone en raison de leur composition. Notre méthode pour donner un nouveau souffle au papier kraft, en le canalisant vers le besoin croissant d'appareils tels que les véhicules électriques et les smartphones, aiderait à réduire les émissions de carbone et à réduire la dépendance à l'égard des méthodes minières et industrielles lourdes.

Les scientifiques du NTU ont connecté et découpé au laser plusieurs fines feuilles de papier kraft pour créer diverses topologies de treillis, dont certaines ressemblaient à une piata épineuse, pour créer les anodes en carbone. Le papier a ensuite été brûlé à 1200 degrés Celsius dans un four sans oxygène pour le transformer en carbone, faisant les anodes.

Le co-auteur de l'étude, M. Lim Guo Yao, ingénieur de recherche de la School of Mechanical & Aerospace Engineering de NTU, a déclaré : "Nos anodes affichaient une combinaison de points forts, tels que la durabilité, l'absorption des chocs, la conductivité électrique, que l'on ne trouve pas dans les matériaux actuels. Ces propriétés structurelles et fonctionnelles démontrent que nos anodes à base de papier kraft sont une alternative durable et évolutive aux matériaux en carbone actuels et trouveraient une valeur économique dans des applications exigeantes, haut de gamme et multifonctionnelles, telles que le domaine naissant des batteries structurelles.

Le professeur adjoint Lai Changquan, de l'école de génie mécanique et aérospatial de NTU, qui a dirigé le projet, a déclaré : "Notre méthode convertit un matériau commun et omniprésent - le papier - en un autre extrêmement durable et très demandé. Nous espérons que nos anodes répondront au besoin rapidement croissant du monde d'un matériau durable et plus écologique pour les batteries, dont la fabrication et la mauvaise gestion des déchets ont montré qu'elles avaient un impact négatif sur notre environnement.

Soulignant l'importance du travail effectué par l'équipe de recherche NTU, le professeur Juan Hinestroza du Département de conception centrée sur l'homme de l'Université Cornell, aux États-Unis, qui n'a pas participé à la recherche, a affirmé Valérie Plante.« Comme le papier kraft est produit en très grandes quantités et également distribué dans le monde entier, je pense que l'approche créative mise au point par les chercheurs de NTU Singapour a un grand potentiel d'impact à l'échelle mondiale. Toute découverte qui permettra d'utiliser les déchets comme matière première pour des produits à haute valeur ajoutée comme les électrodes et les mousses est en effet une grande contribution. Je pense que ce travail peut ouvrir une nouvelle voie et motiver d'autres chercheurs à trouver des voies de transformation d'autres substrats à base de cellulose, tels que les textiles et les matériaux d'emballage, qui sont jetés en grande quantité partout dans le monde.

Journal de référence:

1. Chang Quan Lai, Guo Yao Lim, Kai Jie Tai, Kang Jueh Dominic Lim, Linghui Yu, Pawan K. Kanaujia, Peiyuan Ian Seetoh. Caractéristiques exceptionnelles d'absorption d'énergie et résilience à la compression des mousses de carbone fonctionnelles dérivées de manière évolutive et durable du papier kraft fabriqué de manière additive. Fabrication Additive, 2022 ; 58 : 102992 DOI : 10.1016/j.addma.2022.102992