Papiravfall, som består av kasserte papirposer, papp, avis og annen papiremballasje, har et stort miljøavtrykk sammenlignet med motstykker laget av bomull og plast. De bidrar dramatisk til global oppvarming når de forbrennes og økotoksisitetspotensialet ved å produsere dem.
Forskere fra Nanyang teknologisk universitet, Singapore (NTU Singapore) har utviklet en teknikk for å konvertere returpapir fra engangsemballasje, poser og pappesker til en avgjørende komponent i litium-ion-batterier.
Den nåværende innovasjonen, som gir en sjanse til å resirkulere avfallsprodukter og redusere vår avhengighet av fossilt brensel samtidig som vi fremskynder overgangen til en sirkulær økonomi, grønne materialer og ren energi, reflekterer det NTUs dedikasjon til å minimere vår innvirkning på miljøet, en av fire store utfordringer menneskeheten står overfor som universitetet søker å løse gjennom sin NTU 2025-strategiplan.
Forskere brukte en prosess kalt karbonisering for å konvertere papir til rent karbon. Ved å bruke prosessen gjorde de papirets fibre til elektroder, som kan gjøres til oppladbare batterier som driver mobiltelefoner, medisinsk utstyr og elektriske kjøretøy.
Forskere karboniserte deretter papiret ved å utsette det for høye temperaturer. Dette reduserer det til rent karbon, vanndamp og oljer som kan brukes til biobrensel. Ettersom karbonisering skjer i fravær av oksygen og produserer minimalt med karbondioksid, er det en mer miljøvennlig avhendingsmetode for kraftpapir enn forbrenning, som frigjør mange klimagasser.
Forskergruppens karbonanoder viste også forbedret seighet, tilpasningsevne og elektrokjemiske egenskaper. I følge laboratorieundersøkelser er anodene minst dobbelt så robuste som de i dagens telefonbatterier og kan tåle 1,200 opp- og utladninger. De NTU-produserte anodebaserte batteriene kunne tolerere fysisk stress bedre enn sine rivaler, og absorberer opptil fem ganger bedre knusningsenergi.
Dessuten er den nyutviklede metoden mindre energikrevende. Den bruker lavkost avfallsmateriale og forventes også å redusere kostnadene ved å produsere dem.
Assistentprofessor Lai Changquan, fra NTUs School of Mechanical & Aerospace Engineering, som ledet prosjektet, sa: «Papir brukes i mange fasetter i dagliglivet vårt, fra gaveinnpakning og kunst og håndverk, til en myriade av industrielle bruksområder, som kraftig emballasje, beskyttende innpakning og fylling av tomrom i konstruksjon. Det gjøres imidlertid lite for å håndtere det når det kastes i tillegg til forbrenning, som genererer høye nivåer av karbonutslipp på grunn av deres sammensetning. Metoden vår for å gi kraftpapir enda et liv, ved å sette det inn i det økende behovet for enheter som elektriske kjøretøy og smarttelefoner, vil bidra til å kutte ned på karbonutslipp og lette avhengigheten av gruvedrift og tungindustrielle metoder.»
NTU-forskerne koblet sammen og laserskåret flere tynne ark med kraftpapir for å lage forskjellige gittertopologier, hvorav noen lignet en piata, for å lage karbonanoder. Papiret ble deretter brent til 1200 grader Celsius i en oksygenfri ovn for å omdanne det til karbon, og lage anodene.
Medforfatter av studien, Mr. Lim Guo Yao, en forskningsingeniør fra NTUs School of Mechanical & Aerospace Engineering, sa: "Anodene våre viste en kombinasjon av styrker, som holdbarhet, støtdemping, elektrisk ledningsevne, som ikke finnes i nåværende materialer. Disse strukturelle og funksjonelle egenskapene viser at våre kraftpapirbaserte anoder er et bærekraftig og skalerbart alternativ til dagens karbonmaterialer og vil finne økonomisk verdi i krevende, avanserte, multifunksjonelle applikasjoner, for eksempel det begynnende feltet av strukturelle batterier."
Assistentprofessor Lai Changquan, fra NTUs School of Mechanical & Aerospace Engineering, som ledet prosjektet, sa: "Vår metode konverterer et vanlig og allestedsnærværende materiale - papir - til et annet ekstremt holdbart og etterspurt. Vi håper at anodene våre vil tjene verdens raskt voksende behov for et bærekraftig og grønnere materiale for batterier, hvis produksjon og feilaktig avfallshåndtering har vist seg å ha en negativ innvirkning på miljøet vårt."
Fremhever betydningen av arbeidet utført av NTU-forskerteamet, professor Juan Hinestroza fra Institutt for menneskelig sentrert design ved Cornell University, USA, som ikke var involvert i forskningen, sa: "Ettersom kraftpapir produseres i svært store mengder og kastes på samme måte over hele verden, tror jeg at den kreative tilnærmingen som ble utviklet av forskerne ved NTU Singapore har et stort potensial for innvirkning på global skala. Enhver oppdagelse som vil tillate bruk av avfall som råmateriale for høyverdiprodukter som elektroder og skum er virkelig et stort bidrag. Jeg tror at dette arbeidet kan åpne en ny vei og motivere andre forskere til å finne veier for transformasjon av andre cellulosebaserte substrater, som tekstiler og emballasjematerialer, som blir kastet i store mengder over hele kloden.»
Tidsreferanse:
- Chang Quan Lai, Guo Yao Lim, Kai Jie Tai, Kang Jueh Dominic Lim, Linghui Yu, Pawan K. Kanaujia, Peiyuan Ian Seetoh. Eksepsjonelle energiabsorberende egenskaper og trykkfasthet av funksjonelt karbonskum skalerbart og bærekraftig avledet fra additivt produsert kraftpapir. Additiv Manufacturing, 2022; 58: 102992 DOI: 10.1016/j.addma.2022.102992
