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Des scientifiques transforment des déchets de papier en pièces de batterie pour smartphones et véhicules électriques

Des scientifiques de l’Université technologique de Nanyang à Singapour (NTU Singapour) ont mis au position une method pour convertir les vieux papiers, des emballages et sacs à utilization special et des boîtes en carton, en un composant essential des batteries lithium-ion.

Grâce à un processus appelé carbonisation qui convertit le papier en carbone pur, les chercheurs du NTU ont transformé les fibres du papier en électrodes, qui peuvent être transformées en batteries rechargeables qui alimentent les téléphones portables, les équipements médicaux et les véhicules électriques.

Pour carboniser le papier, l’équipe a exposé le papier à des températures élevées, ce qui le réduit en carbone pur, en vapeur d’eau et en huiles pouvant être utilisées comme biocarburant. Comme la carbonisation a lieu en l’absence d’oxygène, cela émet des quantités négligeables de dioxyde de carbone, et le processus est une alternative moreover verte à l’élimination du papier kraft par incinération, produisant de grandes quantités de gaz à effet de serre.

Les anodes en carbone produites par l’équipe de recherche ont également démontré une durabilité, une flexibilité et des propriétés électrochimiques supérieures. Des assessments en laboratoire ont montré que les anodes pouvaient être chargées et déchargées jusqu’à 1 200 fois, ce qui est au moins deux fois in addition tough que les anodes des batteries de téléphone actuelles. Les batteries qui utilisent les anodes fabriquées par NTU pourraient également résister à plus de contraintes physiques que leurs homologues, absorbant l’énergie de broyage jusqu’à cinq fois mieux.

La méthode développée par NTU utilise également des processus moins gourmands en énergie et des métaux lourds par rapport aux méthodes industrielles actuelles de fabrication d’anodes de batterie. Comme l’anode représente 10 à 15 % du coût overall d’une batterie lithium-ioncette dernière méthode, qui utilise un déchet à faible coût, devrait également réduire le coût de leur fabrication.

Les résultats ont été publiés dans la revue scientifique à comité de lecture Additive Production en octobre.

L’utilisation de vieux papiers comme matière première pour produire des anodes de batterie réduirait également notre dépendance à l’égard des sources conventionnelles de carbone, telles que les expenses carbonées et les liants produisant du carbone, qui sont extraits puis traités avec des produits chimiques et des devices agressifs.

Les déchets de papier, qui comprennent les sacs en papier jetés, le carton, les journaux et autres emballages en papier, représentaient près d’un cinquième des déchets générés à Singapour en 2020.

Les sacs en papier kraft, qui constituent l’essentiel des déchets de papier de Singapour, ont également une empreinte environnementale importante par rapport à leurs homologues en coton et en plastique, en raison de leur moreover grande contribution au réchauffement climatique lorsqu’ils sont incinérés et du potentiel d’écotoxicité dans la generation. eux, une étude NTU distincte de 2020 trouvé.

L’innovation actuelle qui offre une opportunité de recycler les déchets et de réduire notre dépendance aux combustibles fossiles, accélérant notre changeover vers une économie circulaire, des matériaux verts et une énergie propre, reflète l’engagement de NTU à atténuer notre effect sur l’environnement, qui est l’un des quatre grands défis de l’humanité que l’Université cherche à relever à travers son program stratégique NTU 2025.

Le professeur adjoint Lai Changquan, de l’école d’ingénierie mécanique et aérospatiale de NTU, qui a dirigé le projet, a déclaré : « Le papier est utilisé dans de nombreuses facettes de notre vie quotidienne, de l’emballage de cadeaux aux arts et métiers, en passant par une myriade d’utilisations industrielles, telles que emballages lourds, emballages protecteurs, remplissage des vides dans la construction. Cependant, peu est fait pour le gérer lors de son élimination, mis à element l’incinération, qui génère des niveaux élevés d’émissions de carbone en raison de leur composition. paper un autre bail de vie, en le canalisant dans le besoin croissant d’appareils tels que les véhicules électriques et les smartphones, aiderait non seulement à réduire les émissions de carbone, mais réduirait également la dépendance à l’égard des méthodes minières et industrielles lourdes.

L’équipe de recherche a déposé un brevet auprès de NTUitive, la société d’innovation et d’entreprise de NTU. Ils travaillent également à la commercialisation de leur invention.

La recette pour des pièces de batterie in addition vertes

Pour produire les anodes en carbone, les chercheurs du NTU ont joint et découpé au laser plusieurs fines feuilles de papier kraft pour former différentes géométries de treillis, certaines ressemblant à une piñata à pointes. Le papier a ensuite été chauffé à 1200°C dans un 4 sans présence d’oxygène, pour le transformer en carbone, formant les anodes.

L’équipe NTU attribue la durabilité, la flexibilité et les propriétés électrochimiques supérieures de l’anode à la disposition des fibres de papier. Ils ont déclaré que la combinaison de résistance et de ténacité mécanique montrée par les anodes fabriquées par NTU permettrait aux batteries de téléphones, d’ordinateurs portables et d’automobiles de mieux résister aux chocs des chutes et des collisions.

La technologie actuelle des batteries au lithium repose sur des électrodes internes en carbone qui se fissurent et s’effritent progressivement après les chocs physiques d’une chute, ce qui est l’une des principales raisons pour lesquelles la durée de vie de la batterie diminue avec le temps.

Les chercheurs affirment que leurs anodes, qui sont furthermore résistantes que les électrodes actuelles utilisées dans les batteries, aideraient à résoudre ce problème et à prolonger la durée de vie des batteries dans un substantial éventail d’utilisations, de l’électronique aux véhicules électriques.

Le co-auteur de l’étude, M. Lim Guo Yao, ingénieur de recherche de l’école de génie mécanique et aérospatial de NTU, a déclaré  : “Nos anodes présentent une combinaison de factors forts, tels que la durabilité, l’absorption des chocs, la conductivité électrique, qui ne se trouvent pas dans le courant. Ces propriétés structurelles et fonctionnelles démontrent que nos anodes à base de papier kraft sont une option resilient et évolutive aux matériaux en carbone actuels, et trouveraient une valeur économique dans des purposes exigeantes, haut de gamme et multifonctionnelles, telles que le domaine naissant des batteries structurelles. ”

Le professeur assistant Lai a ajouté  : “Notre méthode convertit un matériau commun et omniprésent – le papier – en un autre extrêmement tough et très demandé. Nous espérons que nos anodes répondront au besoin mondial croissant d’un matériau resilient et furthermore écologique pour les batteries. dont la fabrication et la mauvaise gestion des déchets ont un impression négatif sur notre environnement.”

Soulignant l’importance du travail effectué par l’équipe de recherche de NTU, le professeur Juan Hinestroza du Département de conception centrée sur l’homme de l’Université Cornell, aux États-Unis, qui n’a pas participé à la recherche, a déclaré : « Comme le papier kraft est produit en très grandes quantités et disposés de la même manière partout dans le monde, je crois que l’approche créative mise au stage par les chercheurs de NTU Singapour a un grand potentiel d’impact à l’échelle mondiale. Toute découverte qui permettra l’utilisation des déchets comme matière première pour des produits de grande valeur comme électrodes et mousses est en effet une grande contribution.Je pense que ce travail peut ouvrir une nouvelle voie et motiver d’autres chercheurs à trouver des voies de transformation d’autres substrats à foundation de cellulose, tels que les textiles et les matériaux d’emballage, qui sont jetés en grande quantité partout dans le monde.”

L’équipe NTU mènera des recherches supplémentaires pour améliorer la capacité de stockage d’énergie de leur matériau et minimiser l’énergie thermique nécessaire pour convertir le papier en carbone.

Remarques:

Recherche Lux. Feuille de route pour l’innovation des batteries Li-ion (2019).

Agence nationale de l’environnement de Singapour. Réduction de la production globale de déchets en 2020, avec moins de déchets envoyés à la décharge de Semakau (2021).

Université technologique de Nanyang. Les scientifiques de NTU Singapour rapportent que les sacs en plastique pourraient être « moreover respectueux de l’environnement » que les sacs en papier et en coton dans des villes comme Singapour (2020).