científicos fuera Universidad Tecnológica de Nanyang, Singapur (NTU Singapur) han desarrollado una técnica para convertir papel de desecho de envases, bolsas y cartones de un solo uso en un componente crucial de las baterías de iones de litio.

científicos fuera Universidad Tecnológica de Nanyang, Singapur (NTU Singapur) han desarrollado una técnica para convertir papel de desecho de envases, bolsas y cartones de un solo uso en un componente crucial de las baterías de iones de litio.

A través de un proceso llamado carbonización, que convierte el papel en carbono puro, los investigadores de la NTU convirtieron las fibras del papel en electrodos que se pueden convertir en baterías recargables que alimentan teléfonos celulares, dispositivos médicos y vehículos eléctricos.

Para carbonizar el papel, el equipo lo expuso a altas temperaturas, reduciéndolo a carbono puro, vapor de agua y aceites que pueden usarse como biocombustible. Debido a que la carbonatación se produce en ausencia de oxígeno, se liberan cantidades insignificantes de dióxido de carbono y el proceso es una alternativa más respetuosa con el medio ambiente que la eliminación del papel kraft mediante la incineración, que produce grandes cantidades de gases de efecto invernadero.

Los ánodos de carbono producidos por el equipo de investigación también mostraron una durabilidad, flexibilidad y propiedades electroquímicas superiores. Las pruebas de laboratorio han demostrado que los ánodos se pueden cargar y descargar hasta 1200 veces, lo que dura al menos el doble que los ánodos de las baterías de teléfonos actuales. Las baterías que utilizan los ánodos fabricados por NTU también podrían soportar más estrés físico que sus contrapartes y absorber la energía de trituración hasta cinco veces mejor.

El proceso desarrollado por NTU también utiliza procesos que consumen menos energía y metales pesados ​​en comparación con los métodos industriales actuales para fabricar ánodos de baterías. Porque el ánodo representa del 10 al 15 por ciento del costo total de una batería de iones de litio[1] También se dice que este último método, que utiliza un material de desecho económico, reduce los costos de fabricación.

Los resultados se publicaron en la revista científica revisada por pares Fabricación aditiva en octubre.

El uso de papel de desecho como materia prima para fabricar ánodos de batería también reduciría nuestra dependencia de las fuentes de carbono tradicionales, como los rellenos carbonosos y los aglutinantes carbonosos, que se extraen y luego se procesan con productos químicos y maquinaria agresivos.

Los residuos de papel, que consisten en bolsas de papel desechadas, cartón, periódicos y otros envases de papel, representaron casi una quinta parte de los residuos generados en Singapur en 2020[2] .

También se descubrió que las bolsas de papel kraft, que constituyen la mayor parte de los desechos de papel de Singapur, tienen una gran huella ambiental en comparación con sus contrapartes de algodón y plástico, ya que contribuyen en mayor medida al calentamiento global cuando se incineran y son ecotóxicas cuando se fabrican. tienen potencial, un estudio NTU separado 2020[3] fundar.

La innovación actual, que ofrece una forma de reciclar productos de desecho y reducir nuestra dependencia de los combustibles fósiles y acelerar nuestra transición a una economía circular, materiales verdes y energía limpia, refleja el compromiso de NTU de mitigar nuestro impacto en el medio ambiente, uno de los cuatro es el grandes desafíos de la humanidad que la universidad busca abordar a través de sus Plan Estratégico NTU 2025.

Profesor asistente Lai Changquan de la Escuela de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial de NTU, quien dirigió el proyecto, dijo: “El papel se usa en muchas facetas de nuestra vida diaria, desde envoltura de regalos y manualidades hasta una variedad de aplicaciones industriales como empaques de alto rendimiento, empaques protectores y para llenar vacíos en la construcción. Sin embargo, aparte de la incineración, que provoca altas emisiones de CO2 debido a su composición, poco se hace para eliminarlo. Nuestro método de dar nueva vida al papel kraft y alimentarlo con la creciente necesidad de dispositivos como vehículos eléctricos y teléfonos inteligentes no solo ayudaría a reducir las emisiones de carbono, sino también a reducir la dependencia de los métodos de minería e industria pesada”.

El equipo de investigación también ha solicitado una patente NTUitivo, la empresa innovadora y corporativa de NTU. También están trabajando en la comercialización de su invento.

La receta para piezas de batería más ecológicas

Para crear los ánodos de carbono, los investigadores de la NTU unieron y cortaron con láser varias láminas delgadas de papel kraft para formar diferentes geometrías de celosía, algunas de las cuales se asemejan a una piñata puntiaguda (consulte la Figura 1). A continuación, el papel se calentó a 1200 °C en un horno en ausencia de oxígeno para convertirlo en carbono y formar los ánodos.

El equipo de NTU atribuye la superior durabilidad, flexibilidad y propiedades electroquímicas del ánodo a la disposición de las fibras de papel. Dijeron que la combinación de resistencia y dureza mecánica exhibida por los ánodos fabricados por NTU permitiría que las baterías de teléfonos, computadoras portátiles y automóviles resistan mejor los golpes de caídas y accidentes.

La tecnología actual de las baterías de litio se basa en electrodos de carbono internos que se agrietan y se desmoronan gradualmente después del impacto de la caída, que es una de las razones principales por las que la vida útil de la batería se acorta con el tiempo.

Los investigadores dicen que sus ánodos, que son más resistentes que los electrodos actuales que se usan en las baterías, ayudarían a abordar este problema y extenderían la vida útil de la batería en una variedad de aplicaciones, desde la electrónica hasta los vehículos eléctricos.

El coautor del estudio es el Sr. Lim Guo Yao, ingeniero investigador de la Escuela de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial de la NTU., dijo: “Nuestros ánodos mostraron una combinación de fortalezas, tales como B. Durabilidad, absorción de impactos, conductividad eléctrica que no se encuentra en los materiales actuales. Estas propiedades estructurales y funcionales demuestran que nuestros ánodos a base de papel kraft son una alternativa sostenible y escalable a los materiales de carbono actuales y encontrarían valor comercial en aplicaciones multifuncionales exigentes de alta gama, como el espacio de batería estructural emergente”.

diputado Profesor Lai agregó: “Nuestro método transforma un material común y omnipresente, el papel, en otro extremadamente duradero y de gran demanda. Esperamos que nuestros ánodos satisfagan la creciente necesidad mundial de un material de batería más ecológico y sostenible cuya fabricación y eliminación inadecuada de desechos tengan un historial comprobado de impacto negativo en nuestro medio ambiente”.

Destacando la importancia del trabajo del equipo de investigación de la UNT, Profesor Juan Hinestroza del Departamento de Diseño Centrado en el Ser Humano de la Universidad de Cornell, EE. UU., que no participó en la investigación, dijo: «Dado que el papel kraft se produce en grandes cantidades y también se desecha en todo el mundo, creo que el enfoque creativo que han desarrollado los investigadores de NTU Singapur tiene un gran potencial de impacto en una escala mundial. Cualquier descubrimiento que permita el uso de desechos como materia prima para productos de alto valor, como electrodos y espumas, es una gran contribución. Creo que este trabajo puede abrir una nueva vía y motivar a otros investigadores a encontrar formas de convertir otros sustratos celulósicos, como textiles y materiales de embalaje, que se desechan en grandes cantidades en todo el mundo”.

El equipo de NTU llevará a cabo más investigaciones para mejorar la capacidad de almacenamiento de energía de su material y minimizar la energía térmica necesaria para convertir el papel en carbono.

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ilustración 1: Ilustración del proceso de conversión de papel kraft en ánodos desarrollado por NTU Singapur. En un paso posterior, las estructuras se convirtieron en ánodos de carbono a altas temperaturas.


[1] Investigación Lux. Hoja de ruta de innovación de baterías de iones de litio (2019).

[2] Agencia Nacional de Medio Ambiente de Singapur. Reducción de la generación total de residuos en 2020 al enviarse menos residuos al vertedero de Semakau (2021).

[3] Universidad Técnica de Nanyang. Los científicos de NTU Singapur informan que las bolsas de plástico podrían ser «más ecológicas» que las bolsas de papel y algodón en ciudades como Singapur (2020).


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