Científicos de la Universidad Tecnológica de Nanyang, Singapur (NTU Singapur) han desarrollado una técnica para convertir papel de desecho, de envases y bolsas de un solo uso, y cajas de cartón, 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 pueden convertirse en baterías recargables que alimentan teléfonos móviles, equipos médicos y vehículos eléctricos.

Para carbonizar el papel, el equipo lo expuso a altas temperaturas, lo que lo reduce a carbono puro, vapor de agua y aceites que pueden usarse como biocombustible. Como la carbonización se lleva a cabo en ausencia de oxígeno, se emiten cantidades insignificantes de dióxido de carbono, y el proceso es una alternativa más ecológica a 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 demostraron una durabilidad, flexibilidad y propiedades electroquímicas superiores. Las pruebas de laboratorio mostraron que los ánodos podían cargarse y descargarse hasta 1200 veces, lo que es al menos el doble de duradero que los ánodos de las baterías de teléfonos actuales. Las baterías que usan los ánodos fabricados por NTU también podrían soportar más estrés físico que sus contrapartes, absorbiendo la energía de trituración hasta cinco veces mejor.

El método desarrollado por NTU también utiliza procesos que consumen menos energía y metales pesados ​​en comparación con los métodos industriales actuales de fabricación de ánodos de batería. Como el ánodo vale del 10 al 15 por ciento del costo total de una batería de iones de litiose espera que este último método, que utiliza un material de desecho de bajo costo, también reduzca el costo de fabricación.

Los hallazgos se publicaron en la revista científica revisada por pares Additive Manufacturing en octubre.

El uso de papel de desecho como materia prima para producir ánodos de batería también aliviaría nuestra dependencia de fuentes convencionales de carbono, como rellenos carbonosos y aglutinantes que producen carbono, que se extraen y luego se procesan con productos químicos y maquinaria agresivos.

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

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 hechas de algodón y plástico, debido a su mayor contribución al calentamiento global cuando se incineran y al potencial de ecotoxicidad en la producción. ellos, un estudio separado de 2020 NTU fundar.

La innovación actual que presenta una oportunidad para reciclar productos de desecho y reducir nuestra dependencia de los combustibles fósiles, acelerando nuestra transición hacia una economía circular, materiales verdes y energía limpia, refleja el compromiso de NTU de mitigar nuestro impacto en el medio ambiente, que es uno de los cuatro los grandes desafíos de la humanidad que la Universidad busca abordar a través de su plan estratégico NTU 2025.

El profesor asistente Lai Changquan, de la Escuela de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial de la NTU, quien dirigió el proyecto, dijo : «El papel se usa en muchas facetas de nuestra vida diaria, desde envolver regalos y manualidades, hasta una miríada de usos industriales, como embalajes pesados, envolturas protectoras y relleno de vacíos en la construcción, sin embargo, poco se hace para manejarlo cuando se desecha, además de la incineración, que genera altos niveles de emisiones de carbono debido a su composición. papel otra oportunidad de vida, canalizándolo hacia la creciente necesidad de dispositivos como vehículos eléctricos y teléfonos inteligentes, no solo ayudaría a reducir las emisiones de carbono, sino que también aliviaría la dependencia de la minería y los métodos industriales pesados».

El equipo de investigación ha solicitado una patente con NTUitive, la empresa de innovación y empresa de NTU. También están trabajando para comercializar su invento.

La receta para piezas de batería más ecológicas

Para producir 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 parecidas a una piñata puntiaguda. A continuación, el papel se calentó a 1200°C en un horno sin presencia de oxígeno, para convertirlo en carbono, formando 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 fuerza y ​​dureza mecánica mostrada por los ánodos fabricados por NTU permitiría que las baterías de teléfonos, computadoras portátiles y automóviles resistan mejor los impactos de caídas y choques.

La tecnología actual de las baterías de litio se basa en electrodos de carbono internos que se agrietan y se desmoronan gradualmente después de que se caigan los golpes físicos, 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 prolongarían la vida útil de las baterías en una amplia gama de usos, desde la electrónica hasta los vehículos eléctricos.

El coautor del estudio, el Sr. Lim Guo Yao, ingeniero de investigación de la Escuela de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial de la NTU, dijo : «Nuestros ánodos mostraron una combinación de fortalezas, como durabilidad, absorción de impactos, conductividad eléctrica, que no se encuentran en los 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 económico en aplicaciones multifuncionales exigentes de alta gama, como el campo naciente de las baterías estructurales. »

El profesor asistente Lai agregó : «Nuestro método convierte 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 sostenible y más ecológico para las baterías. cuya fabricación e inadecuada gestión de residuos han demostrado tener un impacto negativo en nuestro medio ambiente.”

Destacando la importancia del trabajo realizado por el equipo de investigación de la NTU, el profesor Juan Hinestroza del Departamento de Diseño Centrado en el Ser Humano de la Universidad de Cornell, EE. UU. quien no participó en la investigación, dijo : «Como el papel kraft se produce en cantidades muy grandes y desechados igualmente en todo el mundo, creo que el enfoque creativo promovido por los investigadores de NTU Singapur tiene un gran potencial de impacto a escala global Cualquier descubrimiento que permita el uso de desechos como materia prima para productos de alto valor como electrodos y espumas es sin duda una gran contribución.Creo que este trabajo puede abrir una nueva vía y motivar a otros investigadores a encontrar caminos para la transformación de otros sustratos a base de celulosa, como los textiles y los materiales de embalaje, que se están desechando en grandes cantidades. en todo el mundo.»

El equipo de NTU realizará 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.

notas:

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

Agencia Ambiental Nacional de Singapur. Reducción en la generación general de desechos en 2020, con menos desechos enviados al vertedero de Semakau (2021).

Universidad Tecnológica 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).