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“纸糊”电池来了！科学家用废纸造电池，质量轻一半，可承受5倍压力

时间:2022-12-14 11:01来源:超电实验室 作者:曹婷婷
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随手一丢的废纸，也能为新能源汽车做出贡献了。
 
最近新加坡南洋理工大学（NTU）的科学家们研发出一项新技术，可将废弃的一次性包装盒、袋子和纸板箱等废纸用来做电池，并且性能还不错。
 
研究成果发表在了科学期刊《增材制造》上，他们通过将纸转化为纯碳的碳化工艺，将纸中的纤维转化为电极。这些电极可用于可充电电池，为手机、医疗设备和电动汽车供电。
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来源：NTU

而且这种电极，可以承受普通电极5倍大的压力，这种性能对于新能源汽车来说简直是福音。

关键的是，用废纸做的电池，要比传统电池更环保，成本也更低。







 
目前该研究团队已向南洋理工大学创新和企业公司NTUitive申请了专利，他们计划将这个全新的发明实现商业化落地。
01 
重量更轻的纸造电池
 
在此之前，我们报道过科学家用木头和蟹壳制造电池，和这些生物电池不同，此次用废纸制作电池，主要是提取废纸中的碳纤维当作电池的阳极。
 
实验中的纸——来源于一次性包装纸和纸板箱——通过特殊的反应将其转化为纯碳，从而将纸张的纤维转化为锂离子电池的关键部件——电极。
 
研究人员先是将纸碳化（纸糊无疑），把几张牛皮纸暴露在高温下，并用激光切割，使其形成不同的几何形状。
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来源：NTU
然后在没有氧气的炉中将纸加热到1200°C，使其转化为碳，这个过程主要是将其还原为可用于生物燃料的纯碳、水蒸气和油。
 
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来源：NTU
因为这个碳化过程是在没有氧气的情况下发生的，所以产生的二氧化碳少到可以忽略不计。从废纸回收的角度来看，比直接燃烧环保的多，可以无污染吸收掉这些废纸垃圾。
 
他们经过测试表明，废纸燃烧后的碳块，在储存电量方面比现有的化石燃料石墨制成的碳储存电量更多，结构强度也是现有碳阳极的4倍。
 
目前阳极占锂离子电池总成本的10%至15%，将这种纸化碳变成电池的阳极，可以明显减少电池总成本。
 
而且这种碳阳极，更具耐用性、柔韧性和电化学性能。实验表明，这种阳极可以充放电达到1200次，这至少是手机电池中阳极耐用性的两倍。这种电池还可以承受比同类电池更多的物理压力，吸收破碎的能量高达5倍。
 
目前的锂电技术对内部碳电极的依赖性很强，这些在电极在受到物理冲击时更容易导致电池的损坏，电池寿命也由此变短，因此该研究团队的电池所具备的性能更加具有持久性。
 

 
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来源：NTU
而储存电能的电池本来应该是化石燃料的工作，有了这项技术，就可以减少对化石燃料的需求，同时降低总成本。在制造过程中还使用了更少的能源密集型工艺和重金属。
 
现在电动汽车的两大龙头，比亚迪和特斯拉，所使用的电池重量分别是310KG和471KG，具体还要由续航里程而定，不管怎样，电动车电池重量普遍在250公斤，而纸张纸板碳化阳极材料会让整体重量更轻，如果大规模运用在新能源汽车动力电池上，可以减轻整车的重量。
 
NTU研究团队估算，若50kWh电池包电芯电极采用纸阳极，整体重量在100-200KG，而传统采用碳阳极的电池包则平均重量则在310KG左右，重量相差近一倍。
02 
环保大于一切
通常情况下，锂离子电池的阳极由天然或合成石墨制成，这比阴极的成本更低。
 
阴极是电池的正极。当电池放电时，电子和带正电的分子都从阳极流向阴极，阴极将两者存储起来，直到电池再次充电。
 
从某种程度上来说，阴极有效地决定了电池的性能。比如常见的阴极材料有磷酸铁锂、锂镍锰钴、锂镍钴铝氧化物，这也导致阴极材料会比阳极材料更贵，约占电池总成本的40%-50%。
 
这也是为什么，包括特斯拉在内的汽车厂商，开始在阴极上大做文章。
 
这也导致电池厂商在阳极方面做的技术创新并不多。
 
从废纸转换成碳阳极的过程中，牛皮纸是主要的材料来源。而牛皮纸袋对环境的杀伤力很大，在生产和焚烧时都具有生态毒性，所以南洋理工大学的这项研究，出发点更像是保护环境。
 
2020年在新加坡生产的垃圾中，包括废弃纸袋、纸板、报纸和其他纸包装在内的纸张垃圾占近五分之一。
 
该项目负责人之一赖昌全教授表示，纸在日常生活中的使用非常广，同时产出的废纸垃圾除了焚烧解决，几乎没有别的方式，牛皮纸的焚烧更是为环境带来极大的污染。这种方法能让牛皮纸重新焕发生机，以满足对电动汽车和智能手机等设备日益增长的需求。
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来源：NTU
前文提到，电动车中的锂电池具有较重的重量， 当一个电动车电池被弃之后， 电池的外壳也会慢慢被腐蚀，重金属物质会渗入水和土壤之中，造成严重的污染。
 
而废旧电池数量庞大，就算是以旧换新，废电池长期暴露在环境之中，导致重金属与酸碱等产生电化学反应，加快电解液渗入土壤环境或者地下水中。
 
眼下正是电动车发展的黄金时间，废旧电池中的汞、铅、镍等重金属，不管是对人体还是对生态环境都有不同程度的危害。
 
而这种纸造电池，不仅解决了牛皮纸的回收环保问题，也让电池重量更低，大大减少了土壤污染的可能性。
 
赖教授表示，市面上的碳阳极没办法被模制成形，整体结构太脆弱，而纸质阳极保留了纸张的纤维状分子结构，可以承受4倍的物理应力。
 
产生出来的碳块中，还会提供一种可持续的方式来开发碳泡沫，通常用做录音室的隔音和防火保护。

来源：网络
 
目前该团队已经向南大的创新和企业公司NTUitive申请了专利，下一步有望将发明商业化，真正的使用在电动车上。接下来研究团队将进一步研究，如何忍让材料的储能能力更强，并减少纸张转化为碳所需的热能。
03 
善于废品再利用的研究团队
新加坡南京理工大学研究团队，可以说是对变废为宝“爱的深沉”。
 
对于NTU研究团队来说，把废纸制成电池不是第一次了。2021年底，他们开发了一种可进行生物降解的“纸基电池”，这种电池的核心是一张纤维素纸，纤维之间的空隙被水凝胶加固，纸张就可以充当两个电极之间的分隔物。
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纸张的正反两面被丝网覆盖，用于打印阳极的导电油墨主要由锌和炭黑组成，阴极油墨则是由锰和镍打造。
 
这种纸基电池可以储存大量电荷，一块4厘米宽、4厘米长，厚度约0.4 毫米的纸基电池可以为小型电风扇供电至少45分钟。
 
而且放在土壤中不会产生任何有毒物质，一个月后便会被土壤中的微生物完全降解。
 
关于NTU的变废为宝新闻不止这废纸成为碳阳极一种，早在2020年，NTU就利用水果皮从耗尽电量的锂电池中，提取和回收使用贵重金属，变废为宝制作成新电池。
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来源：网页截图
比如橙皮中含有的纤维素，加热后转化为糖，糖分有助回收废旧电池中的金属。NTU表示，橙皮中的天然抗氧化剂如类黄酮(flavonoids)和酚酸(phenolic acids)，会加强回收效果，在整个转化过程中，所产生的固体残留物是无毒的。
 
在2021年，电子垃圾塑料成为NTU研究的对象，在全球每年产生的5000万吨的电子垃圾中，塑料垃圾占据20%，塑料往往难以回收，NTU研究小组就做了一个这样的实验。
 
在电子塑料中找到一块废弃的电脑键盘并进行消毒处理，在键帽上培养细胞，研究表明，验结果发明一周后容器超过95%的人体干细胞依然健康存活，效果与平常在实验室使用剧苯乙烯塑料培养皿相似。
 
这样一来就解决了两个问题，一是电子塑料的回收利用；二是节省下实验室的塑料垃圾。
 
全球每年产生的实验室垃圾大概有550万吨，包括在试验过程中产生的塑料垃圾、电子塑料垃圾，这些废品重新用作实验室细胞培养，一举两得。
 
目前全球每年全球产生的垃圾在100亿吨左右，其中有5740万吨是电子废弃物力，这种性能对于新能源汽车来说简直是福音。目前全球每年全球产生的垃圾在 100 亿吨左右，其中有 5740 万吨是电子废弃物，这是最难被回收的部分，超八成未被回收利用，废物回收成为一大问题，NTU 研究团队也在废品再利用的路上越走越远。

(责任编辑：子蕊)
文章标签： 电池 “纸糊”电池
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