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用于锂离子电池的纸电极或将成为现实

12月5日,据外媒报道,新加坡南洋理工大学的研究人员开发了一项技术,将一次性包装、袋子以及纸板箱中的废纸转化为锂离子电池的重要组成部分。通过一种名为碳化的过程,将纸转化为纯碳,南洋理工大学研究小组(NTU)将纸纤维转化为电极。

为了使纸张碳化,研究小组将其暴露在高温下,使其变成纯碳、水蒸气和可用于生物燃料的油。由于碳化是在没有氧气的情况下进行的,该过程排放的二氧化碳量可忽略不计,因此,与通过焚烧处理牛皮纸相比,这是一种更环保的替代方法,产生大量温室气体。研究团队生产的碳阳极也被证明是耐用、灵活且电化学性能良好的。实验室测试表明,该碳阳极可以充放电1200次,其耐久性至少是当前手机电池负极的两倍。使用NTU制造阳极的电池也能承受比同类电池更大的物理应力,吸收的破碎能量高达5倍。

在《增材制造》杂志上发表的一篇文章中,科学家们解释说,与目前制造电池负极的工业方法相比,这种新方法使用的能源密集型工艺和重金属更少。由于负极占锂离子电池总成本的10%至15%,因此该技术有望降低制造成本。为了生产碳阳极,该小组加入并激光切割了几张薄薄的牛皮纸,以形成不同的晶格几何形状,其中一些类似于spikey piñata。然后在没有氧气的情况下,将纸张加热到1200°C,将其转化为碳,形成阳极。该团队将阳极优异的耐久性、柔韧性和电化学性能归因于纸纤维的排列。他们表示,这种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带来的冲击。目前的锂电池技术依赖于内部碳电极,这些碳电极在跌落时受到物理冲击后会逐渐开裂和碎裂,这也是电池寿命随时间缩短的主要原因之一。

项目负责人Lai Changquan在一份媒体声明中表示,我们的方法将一种常见且普遍存在的材料——纸张——转化为另一种极其耐用且需求量巨大的材料。我们希望,我们的碳阳极将满足世界对可持续和绿色电池材料的快速增长需求,这些材料的制造和不当的废品管理已证明对我们的环境产生了负面影响。

除了金属废品,废弃纸张也是一个日益严重的环境问题。在新加坡,废弃纸袋、纸板、报纸和其他纸包装占2020年产生废品的近五分之一。2020年南大的一项独立研究发现,牛皮纸纸袋是该国造纸废品的主要组成部分,由于它们在焚烧时对全球变暖的贡献,以及生产它们的生态毒性,它们也被发现有很大的环境足迹。在科学家们看来,他们的创新提供了一个升级回收废旧产品的机会,减少新加坡对化石燃料的依赖,加速该国向循环经济、绿色材料和清洁能源的过渡。

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