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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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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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*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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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。